-%% //
/ //
. . ...
/ //
•,10•
剪切失效模型層合板中， "的失效單層，僅發(fā)生剪切失效，即剪切剛度 %% "&和拉一剪耦合剛度 %，’%為零，即
’ &
’ ’’ &
& & &
［ ］(（ "） "
. . ...
. . ...
（)）層合板極限載荷確定層合板極限載荷（承載能力）確定是一個(gè)逐次迭代計(jì)算的結(jié)果，因此，對(duì)復(fù)合材料層合件采用按強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)際上是難以實(shí)現(xiàn)的。
第三節(jié) *層合板缺陷 +損傷特性
結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)要求認(rèn)識(shí)復(fù)合材料的缺陷 +損傷、韌性機(jī)理（損傷擴(kuò)展特性）及其對(duì)層合板承載能力的影響。
一、復(fù)合材料缺陷與損傷
復(fù)合材料缺陷與損傷包括：制造缺陷、使用損傷和環(huán)境損傷。
制造缺陷通常有兩類(lèi)：一類(lèi)是復(fù)合材料預(yù)浸和成形過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷；另一類(lèi)是機(jī)械加工組裝過(guò)程產(chǎn)生的缺陷。典型制造缺陷有：空隙、富膠、貧膠、外來(lái)物夾雜、不正確的纖維取向和鋪層順序、劃傷、有缺陷孔和過(guò)緊連接等。
典型使用損傷有：劃傷、擦傷、邊緣損傷，以及沖擊引起的分層、脫膠、凹痕和穿透性損傷等。
典型環(huán)境損傷有：雷電沖擊引起的表面燒蝕和分層、冰凍 +熔化引起的濕膨脹和熱沖擊造成的分層和脫膠、夾芯結(jié)構(gòu)水分浸入引起的分層等。
損傷容限問(wèn)題中主要研究孔、沖擊損傷、分層 ,種損傷形式。這 ,種損傷形式不僅有代表性，而且對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力影響最嚴(yán)重。沖擊造成的損傷可以覆蓋上述 ,種損傷形式，沖擊損傷形式與沖擊能量水平密切相關(guān)。高能量沖擊，如彈丸沖擊，可以對(duì)層合板造成穿透孔損傷，并帶有一些邊緣附近的局部分層。中等能量沖擊，雖然不產(chǎn)生穿透損傷，但在沖擊范圍內(nèi)造成層合板局部損傷和內(nèi)部分層，以及背面纖維的斷裂。低能量沖擊在層合板表面產(chǎn)生難以目視檢查的損傷（ -./0），并在層合板內(nèi)部形成圓錐形的分層區(qū)。低能量沖擊損傷是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)用中經(jīng)常遇到的主要損傷形式。高能量水平和中等能量水平的沖擊可以造成層合板表面損傷，相對(duì)容易檢測(cè)和及時(shí)進(jìn)行修理；低能量沖擊對(duì)層合板的損傷通常要用無(wú)損檢測(cè)手段才能檢測(cè)出來(lái)，因而對(duì)層合板承載能力形成潛在的威脅（特別是對(duì)壓縮載荷）。沖擊對(duì)層合板造成的損傷是突發(fā)性的；層合板性能（剛度、強(qiáng)度）與其相對(duì)應(yīng)亦發(fā)生陡然下
•,21•
降，按目前設(shè)計(jì)許用應(yīng)變水平，層合板損傷的擴(kuò)展將是緩慢的（或基本不擴(kuò)展），故歸人緩慢裂紋擴(kuò)展范圍研究。
二、復(fù)合材料韌性機(jī)理
（）單向復(fù)合材料韌性機(jī)理
基體開(kāi)裂型斷裂韌性單向復(fù)合材料含有與纖維方向平行的裂紋，承受與纖維方向垂直的載荷時(shí)，產(chǎn)生基體開(kāi)裂型斷裂。纖維體積含量很小時(shí)，裂紋擴(kuò)展從基體開(kāi)始，而當(dāng) "+%& ’ (%&時(shí)，裂紋擴(kuò)展往往從界面開(kāi)始，裂紋表面光滑。
基體開(kāi)裂型斷裂韌性略高于樹(shù)脂基體的斷裂韌性，并且可以用線彈性斷裂力學(xué)進(jìn)行評(píng)估。
"纖維斷裂（或拔出）型斷裂韌性單向復(fù)合材料含有橫向（與纖維方向垂直的）裂紋，承受與纖維方向平行的載荷時(shí)，產(chǎn)生纖維斷裂（或拔出）型斷裂。由于纖維的抗拉強(qiáng)度很高，而基體和界面的剪切強(qiáng)度卻很低，因此，裂紋尖端處首先發(fā)生基體開(kāi)裂和 )或界面脫膠。纖維拔出和纖維斷裂將吸收大量能量，表現(xiàn)出很好的斷裂韌性。裂紋橫向擴(kuò)展的必要條件是纖維斷裂，這就是纖維對(duì)裂紋擴(kuò)展的牽制或抑制作用。線彈性斷裂力學(xué)對(duì)此類(lèi)型斷裂已不再適用了。
混合型斷裂韌性單向復(fù)合材料含有與纖維方向平行的裂紋，承受與纖維方向成口角的載荷時(shí)，產(chǎn)生混合型斷裂。斷裂韌性與口角密切相關(guān)。（*）復(fù)合材料層合板的斷裂韌性機(jī)理
復(fù)合材料層合板裂紋擴(kuò)展的必要條件仍然是垂直于裂紋方向的纖維的斷裂。由于纖維的交叉鋪設(shè)，一般在裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展之前，裂紋尖端已形成了一個(gè)損傷區(qū)，即裂紋的亞臨界擴(kuò)展區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)存在著嚴(yán)重的纖維一基體界面脫膠和由于自由邊存在而產(chǎn)生的層間剪應(yīng)力導(dǎo)致的分層，形成伴有分枝裂紋的韌帶。由于層間分層的存在，復(fù)合材料層合板的韌性與厚度幾乎無(wú)關(guān)，與金屬材料形成顯著差異。
三、缺陷 )損傷對(duì)性能影響嚴(yán)重程度比較
缺陷 )損傷對(duì)復(fù)合材料承載能力影響嚴(yán)重程度的比較，以靜壓縮強(qiáng)度和壓一壓疲勞（+ ,%）兩個(gè)最敏感的性能為例說(shuō)明。沖擊損傷是最嚴(yán)重的缺陷 )損傷形式。采用歸一化處理，可得疲勞（+ ,%）正則化疲勞應(yīng)變（ -./0121341 ) -56/6417/./897）
四、沖擊阻抗與沖擊后壓縮強(qiáng)度
沖擊阻抗是指層合板在一個(gè)沖擊事件中，沖擊造成的損傷程度，是層合板抵抗沖擊損傷形成能力的描述。沖擊后壓縮強(qiáng)度（:;3）是指含沖擊損傷層合板的剩余壓縮強(qiáng)度，是含沖擊損傷 •>=<•
層合板承載能力即損傷容限的描述。
沖擊阻抗與沖擊后壓縮強(qiáng)度是從不同的角度來(lái)表征層合板對(duì)沖擊載荷（垂直板面載荷）引起的沿厚度方向的損傷（特別是分層損傷）的敏感性。因?yàn)閷雍习逖睾穸确较颍▽娱g）強(qiáng)度低，層間易發(fā)生分層。從復(fù)合材料應(yīng)用考慮沖擊后壓縮強(qiáng)度研究先于沖擊阻抗研究，目前一般用沖擊后壓縮（剩余）強(qiáng)度值的提高來(lái)度量復(fù)合材料體系
“韌性”的改善。 "年 %&’&制定碳纖維 (熱固性韌性樹(shù)脂復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 %&) ’&*+,-，對(duì)韌性樹(shù)脂基體給出了性能要求和相應(yīng)測(cè)試方法，即沖擊后壓縮試驗(yàn)方法，邊緣分層 ./試驗(yàn)方法，開(kāi)孔拉伸和開(kāi)孔壓縮試驗(yàn)方法，從而，推動(dòng)了增韌熱固性樹(shù)脂基體研究。沖擊阻抗研究表明層合件抗沖擊損傷能力與分層阻抗有關(guān)，并定義分層斷裂韌性 .0/，建立標(biāo)準(zhǔn) &’123—-（"",），我國(guó)航標(biāo) 456,7-—"8。為了更好地評(píng)價(jià)損傷阻抗，美國(guó) ""年頒布 &’1238-8,—"9測(cè)量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料對(duì)集中準(zhǔn)靜態(tài)壓痕力損傷阻抗的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”。
中國(guó)航空網(wǎng) www.k6050.com
航空翻譯 www.aviation.cn
本文鏈接地址：飛機(jī)檢測(cè)與維修實(shí)用手冊(cè) 2(16)
