复合材料的冲击、损伤容限和吸能-12

复合材料的冲击、损伤容限和吸能冲击实验的意义冲击试验是用来衡量复合材料在经受高速冲击状态下的韧件或对断裂的抵抗能力的试验方法。对于研究各向异性复合材料在经受冲击载荷时的力学行为有一定的实际意义。对于车辆、航天器等运动着结构来讲，除了满足自身结构强度等要求外，要求必须具有一定的“耐撞性”。耐撞性（Crashworthiness）－对运动的（载人、载物）结构，在发生碰撞事故或特定的冲击事件时能够吸收冲击能量并保护成员及贵重物品安全的能力。-要求:能够在突发或特定的碰撞事件中，依靠自身结构或附件装置的屈曲、断裂等破坏形式来减缓碰撞时的冲击载荷，耗散冲击能量。冲击实验的方法主要可分为如下几种：摆锤式冲击试验(包括简支梁型和悬臂梁型)落锤式冲击试验弹射式实验装置Hopkinson压杆实验装置简支梁型冲击试验是摆锤打击简支梁试样的中央；悬臂梁法则是用摆锤打击有缺口的悬臂梁试样的自由端。摆锤式冲击试验试样破坏所需的能量实际上无法测定。试验所测得的除了产生裂缝所需的能量及使裂缝扩展到整个试样所需的能量以外，还要加上使材料发生永久变形的能量和把断裂的试样碎片抛出去的能量。把断裂试样碎片抛出的能量与材料的韧性完全无关，但它却占据了所测总能量中的一部分。

摆锤式实验的特点试验证明，对同一跨度的试样越厚消耗在碎片抛出的能量越大。不同尺寸试样的试验结果不好相互比较。但由于摆锤式试验法简单方便，所以在材料质量控制、筛选等方面使用较多。落球式冲击试验是把球、标准的重锤或投掷枪由已知高度落在试棒或试片上，测定使试棒或试片刚刚够破裂所需能量的一种方法。落锤式实验的特点通过可控制地将落锤从一定高度落下获得冲击动能，并通过信号和数据采集装置记录实验结果。优点：这类冲击体系的结构简单，操作方便，成本较低，适用领域广；缺点：冲击速度可选范围小，由于靠重力驱动，实验受惯性力的影响较大。如果想把某种材料与其它材料进行比较，或者需改变重球质量，或者改变落下高度，十分不方便。落锤式实验的特点落球试验数值模拟图针对落锤实验应用运动物理学可导出如下理论方程：

Hopkinson压杆实验适用于尺寸较小的试件在高应变率下的压缩实验。一般来说，输入杆和测量杆的长度应该足够长，以确保在试件发生破坏前压杆远端的反射波没有到达试件；试件的尺寸要足够小，使得弹塑性波在试件中的传播时间与结构屈曲响应时间比很小，压缩应力在试件中均匀分布。需要确定如下物理量；冲击载荷输入历程和大小；结构载荷响应历程、大小和分布；结构位移响应历程、大小和分布；测量的应变率响应特点HopkinsonPressureBar飞机上的缓冲吸能部件（结构）各类吸能结构各类吸能结构各类吸能结构各类吸能结构各种缓冲结构的吸能比较Hopkinson法冲击实验原理如其核心部分是两段分离的弹性压杆:输入和输出杆。子弹以一定的速度撞击输入杆,在其中产生一入射脉冲

,试样在该应力脉冲作用下被高速压缩变形,同时向输出杆传播一透射波和向输入杆返回一反射波

。根据SHPB实验的一维假定和均匀性假定,利用一维应力波理论可得试样的应变率εt(t)、应变ε(t)以及应力σ(t):这样只要测量到就可利用下式计算出试样的应力－应变关系及应变速率的大小。通过调整子弹的撞击速度来改变试样应变率的大小。压杆的弹性模量压杆的波速压杆的截面积试样初始截面积试样初始长度中的任意两个波形损伤容限损伤容限：是指材料在经受冲击后，具有的残余强度或刚度。实验方法：经受撞击或冲击后的试件进行再压缩测量从而求得其是否具有足够的强度或刚度。在压缩载荷下金属铝泡沫纤维增强复合材料层合结构在冲击载荷下的层间开裂不同应变率下泡沫铝的应力-应变曲线(1)在冲击加载条件下开孔泡沫铝的应力-应变曲线与静态加载相似,具有三阶层变形的特征,即弹性段、屈服平台段和压实段;但与静态压缩曲线不同的是,动态压缩曲线上平台段开始时有一应力回落的波动现象。(2)开孔泡沫铝具有明显的应变率效应,随应变率的提高,相同应变下的泡沫铝的流动应力上升、平台段的斜率增加,即流动应力随应变的增大而上升的速度加快、平台段变短。(3)随着应变率的提高,尽管平台区变短,但由于应力升高,泡沫铝的吸能性上升,而对应的最大应力也较高。开口泡沫铝材料的动态压缩试验可看出，该种材料具有良好的吸能特征，可用于耐撞性材料。复合材料具有高强、高刚及可设计性的优点，现已广泛地用于航天航空、建筑及交通等领域。但在吸能方面，复合材料结构与与金属结构具有不同的性能机理，金属结构主要依靠塑性变形来吸收能量，而复合材料则通过多种形式的细观破坏耗散能量。如：如纤维和基体的开裂层间裂纹及开裂纤维拔出局部扭曲等纤维增强复合材料层合板的低能冲击损伤及剩余强度由于复合材料在撞击过程中是以损伤的积累形式破坏的，因此，到目前还没有一个包含所有的破坏模式的预报模型及破坏准则对其吸能特性和剩余强度或刚度进行有效预报。主要的研究方法只能依靠有限元数值计算进行预报；断裂准则：在撞击事件中必须吸收绝大部分的能量－缓冲件特性研究所关心的主要问题之一就是如何有效地、尽可能多地吸收大部分撞击能量，可通过结构和材料参数进行设计。碰撞能量的吸收以可控的方式进行。－即复合材料吸能结构在各种撞击