纖維增強樹脂基復合材料具有比強度、比剛度高，特別是可設計性等特點，因而在許多重要的工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛應用。復合材料層合結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中常常會遇到的諸如工具墜落、設備撞擊等低速沖擊使其容易產(chǎn)生損傷，并且表面損傷往往很小，很難直接觀察到，而內(nèi)部和沖擊內(nèi)表向往往損傷嚴重，會導致結(jié)構(gòu)的強度及穩(wěn)定性有所降低，這已經(jīng)成為限制復合材料層合結(jié)構(gòu)得到更廣泛應用的一個重要因素。近年來，許多學者都針對復合材料在工程結(jié)構(gòu)應用中的沖擊損傷問題進行了試驗研究及理論數(shù)值分析，并取得了一定的進展。從現(xiàn)有的文獻看，大部分研究者都只研究了沖擊能量對層合結(jié)構(gòu)沖擊損傷的影響，對其他一些重要影響因素，例如層合結(jié)構(gòu)的鋪層參數(shù)、材料體系等往往關注不夠，而這些問題的深入研究是相當重要的。筆者應用三維逐漸累積損傷分析方法及數(shù)值分析技術(shù)，詳細探討了不同材料的沖頭、不同復合材料體系和不同鋪層方式等因素對層合板沖擊損傷的影響規(guī)律，為更有效地進行復合材料抗沖擊結(jié)構(gòu)設計提供一定的指導。

1　理論分析

理論分析采用三維逐漸累積損傷分析模型，該模型一般包括兩部分：應力分析和失效分析。通常應力分析都采用有限單元分析技術(shù)，對復合材料層合板而言，其應力分析的基礎是經(jīng)典層合板理論。采用ANSYS軟件對復合材料層合板進行應力分析。失效分析是逐漸累積損傷分析方法中的一個重要步驟，它直接關系到整個分析過程結(jié)果的好壞。失效分析主要包括失效準則和參數(shù)退化兩部分。

1.1　失效準則

關于沖擊損傷失效準則，許多學者都進行了大量的研究。Chang等通過對含應力集中復合材料層合板的研究提出了纖維失效和基體開裂的準則，其中關于纖維失效的準則中只考慮了應力分量σ₁₂對纖維失效的影響而沒有考慮應力分量σ₁₃，實際上，σ₁₃和σ₁₂對纖維失效有同樣的影響；在關于基體升裂的準則中，沒有考慮應力分量σ₂₃的影響，而σ₂₃對基體中剪切裂紋的產(chǎn)生起主要作用。Hou等對上述準則進行了修正，考慮了各種應力對不同失效模式的影響后，提出了包括基體開裂、基體擠壓破壞、分層和纖維斷裂四種主要失效模式的沖擊損傷失效判據(jù)，Li等、Qi等均采用該判據(jù)進行了層合板的低速沖擊損傷分析，并與試驗結(jié)果進行了比較，驗證了其合理性。故本研究采用Hou的沖擊損傷失效準則：對于基體開裂失效模式（σ₂₂≥0）

　　對于基體擠壓破壞失效模式（σ₂₂＜0）

　　對于分層失效模式（σ₃₃≥0）

　　對于纖維斷裂失效模式

式中，σ_ij為各單元與材料主方向相對應的應力分量，i=1，2，3，j=1，2，3；S_ij為單層板的剪切強度；σ_Tx、σ_Ty、σ_Tz分別為單層扳沿x、y、z方向的抗拉強度；S_m23為橫向與厚度方向基體開裂的剪切強度；S₁₂₃是橫向與厚度方向分層的剪切強度；S_f為考慮纖維失效的剪切強度；σ_Cy為單層板沿y方向的抗壓強度。

1.2　參數(shù)退化

單元發(fā)生破壞后，該單元的剛度將發(fā)生變化，應力在各單元中的分布也隨之改變。Hou等在對層合板的沖擊過程進行分析時，選擇了以應力退化作為更新策略，這種方式不能反映出材料本身性能的退化。Tan等把由不同損傷模式引起的材料剛度下降用不同的損傷內(nèi)狀態(tài)變來表示，同時通過大量的試驗研究確定了這些變量的值。筆者在對層合板的沖擊分析中采用了該參數(shù)退化方式，如表1所示。