非对称加强复合材料结构的影响损伤模拟与实验分析

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Impact damage simulation and experimental analysis of asymmetric stiffened composite structure

碳纤维复合材料L型加强结构在不对称位置的低速冲击损伤响应差异研究。通过实验与有限元模拟对比分析四个典型区域（S1-S4）的载荷传递、能量吸收及损伤机制，发现±45°铺层结构具有最优承载特性，支撑区域（如S2）通过能量反弹机制降低损伤，而非支撑区域（如S4）因高能量吸收导致更大损伤。研究揭示了结构不对称性对冲击损伤的影响规律，为航空结构轻量化设计提供理论依据。

　　这项研究探讨了在不对称位置的复合材料加强结构受到冲击时的损伤响应差异，这对于评估航空结构的安全性具有重要意义，但目前这一领域仍存在研究不足。因此，本研究聚焦于具有不对称L形加强结构的碳纤维复合材料，对四个典型区域进行了冲击阻力的比较分析，揭示了不对称加强结构对冲击引起的结构损伤的影响机制。研究过程首先通过低速冲击试验和不同铺层配置下的有限元（FE）建模与实验验证，随后对不对称区域S1、S2、S3和S4的损伤响应进行了模拟分析。结果表明，包含±45°铺层的结构在冲击前后表现出更强的承载能力，且模拟与实验之间偏差小于10%，验证了模型的合理性。在此基础上，研究进一步发现，当冲击发生在加强结构支撑的位置时，结构表现出较小的损伤，这主要归因于能量反弹耗散机制，而非能量吸收。例如，当在6 J能量下冲击位于加强结构腹板上方的S2区域时，载荷达到8429.23 N，但损伤被最小化，因为此时能量反弹比高达70.17%。相反，当冲击发生在未支撑的S4区域时，载荷仅为3385.88 N，而损伤却达到最大，因为此时能量吸收比高达58.76%。这些发现表明，对于在航空应用中常见的不对称加强结构，可以通过平衡能量吸收和反弹机制来优化加强结构设计，从而提升整体的抗冲击性能。

在过去的几年中，复合材料因其卓越的机械性能而受到广泛关注，成为多个行业的重要材料。这些性能包括抗腐蚀、抗疲劳、轻质、高强度以及优异的能量吸收能力。复合材料的多材料组成为工程师提供了更大的设计自由度。然而，当这些材料承受结构载荷时，容易引发多种损伤机制。尽管复合材料层合板在服役期间表现出出色的平面方向机械性能，但在受到意外的面外冲击载荷时，仍可能发生损伤。此外，制造工艺的复杂性也增加了其整体机械响应的不确定性。因此，发展更完善的分析方法对于研究复合材料的冲击损伤行为至关重要。例如，Al-Azzawi等人研究了玻璃纤维增强塑料（GFRP）的冲击特性，发现低温下冲击的试样比高温下更容易产生损伤。同时，已有的有限元模型可以有效预测不同温度下的冲击损伤。Safarabadi等人开发了一个使用VUMAT子程序的数值模型，用于模拟复合材料层合板螺栓接头的低速冲击，并发现预载力的应用在提升接头强度和减少分层方面具有显著效果。Karami等人提出了一种成本效益高的方法，用于制造带有集成复合材料板的3D打印夹层板，证明这些板在低速冲击测试中在所有参数上均优于粘接式板。此外，还有许多其他关于复合材料结构冲击损伤行为的研究，取得了对损伤机制、演变规律以及评估方法的深入理解。

与此同时，一些研究表明，加强结构可以通过刚度增强、能量管理和应力优化显著提高抗冲击性能。特别是对于复合材料蒙皮，加强结构可以减少层间分层，同时平衡轻量化设计与抗冲击性能。Li等人研究了碳纤维增强复合材料层合板在低速冲击下的损伤演变，分析了L形加强结构的抗冲击性能，从而为航空轻量化设计提供了基于模拟的理论基础。Wang等人研究了碳纤维L形加强结构在冲击下的损伤起始、传播和失效机制，提出了基于渐进损伤的模拟方法，用于优化抗冲击设计。此外，Dávila等人聚焦于帽型加强结构中的两个位置，采用压痕作为冲击损伤的替代方式。他们的分析表明，中心压痕的刚度响应高于边缘压痕，而边缘压痕的损伤长度则更长。Tan等人研究了两个冲击位置对带有L形加强结构的夹层板损伤行为的影响，发现法兰尖端的冲击导致严重损伤，从而使失效载荷显著降低。相比之下，腹板区域的冲击仅削弱了加强结构与蒙皮之间的相互作用。如上所述，不同位置的加强结构在低速冲击下的响应是不同的。因此，对相应损伤机制的分析对于工程应用具有重要的指导意义，并吸引了越来越多研究人员的关注。然而，这一领域仍存在研究局限，特别是在未能全面考虑复杂结构配置中不同冲击位置的影响方面。

基于上述背景，本研究聚焦于L形碳纤维增强复合材料加强结构。首次从结构不对称性的角度，对四个不同的冲击位置进行了系统分析。具体而言，研究主要分析了L形加强结构不对称特征对应的四个典型区域（S1、S2、S3和S4）在不同铺层配置下的冲击响应和损伤模式。研究采用了一种结合实验和数值分析的方法，包括接触力演变和能量吸收比等关键参数。这一研究揭示了不对称加强结构对复合材料加强结构不同区域冲击损伤的影响机制，为优化常见不对称加强结构的抗冲击性能提供了更全面的理论和数据支持。

在材料和试样部分，本研究使用了单向碳纤维预浸料（T700/3180，面密度为150 g/m2），由山东鼎盛公司提供，用于制备加强结构的试样，并研究了两种铺层角度对试样抗冲击性能的影响。试样的机械参数如表1所示。试样的制备采用了真空袋成型法。如图1a、1b和1c所示，蒙皮铺层配置包括两种类型：一种是采用特定堆叠顺序的试样。这些试样在结构设计和材料选择上具有代表性，为后续的冲击试验和数值模拟提供了坚实的基础。

在有限元基本理论部分，本研究基于以下理论基础进行了模拟分析：大多数基体材料表现出塑性机械响应特性。当碳纤维增强树脂基复合材料结构受到横向压缩和剪切载荷（特别是剪切应力）时，会表现出明显的塑性和非线性行为。因此，在模拟过程中，需要充分考虑材料的非线性响应和塑性变形特性，以准确预测冲击损伤的发展过程。有限元模型能够有效地模拟结构在冲击载荷下的响应，包括载荷传递、能量耗散和损伤演化等关键过程。通过合理设置材料属性和边界条件，有限元模型能够提供与实验结果一致的预测，从而为结构设计和优化提供理论支持。

在不同铺层配置下蒙皮对冲击载荷的响应部分，研究首先选择了一种蒙皮铺层配置，因为铺层角度和顺序对结构的机械性能和能量吸收能力具有显著影响。图3展示了在不同冲击能量下，加强结构蒙皮的表面损伤形态。图中的（a）和（c）部分分别代表了不同的冲击能量下的损伤情况。通过对比分析，研究发现铺层角度对冲击响应和损伤模式具有重要影响。例如，当采用±45°铺层时，结构在冲击下的承载能力更高，且损伤模式更加可控。这表明铺层角度的选择在优化抗冲击性能方面具有关键作用。此外，不同铺层配置下的蒙皮在冲击过程中表现出不同的能量吸收和反弹特性，这为后续的结构优化提供了重要的数据支持。

在结论部分，本研究通过实验和数值分析方法，探讨了L形复合材料加强结构在低速冲击下的损伤情况和残余机械性能。模拟结果与实验数据之间表现出良好的一致性，并且对网格划分具有较低的敏感性。在此基础上，研究进一步揭示了L形加强结构在不同冲击位置下的损伤程度和损伤响应行为。实验结果表明，不同铺层配置下的蒙皮在冲击过程中表现出不同的损伤模式和能量吸收特性。例如，在±45°铺层配置下，蒙皮在冲击下的承载能力更高，且损伤程度较低。而在其他铺层配置下，蒙皮的承载能力较低，且损伤程度较高。这表明铺层配置的选择对结构的抗冲击性能具有重要影响。

此外，研究还发现，加强结构在不同冲击位置下的损伤响应存在显著差异。例如，当冲击发生在加强结构支撑的位置时，结构表现出较小的损伤，这主要归因于能量反弹耗散机制。而在未支撑的位置，结构则表现出较大的损伤，这主要归因于能量吸收机制。因此，加强结构的设计需要综合考虑能量吸收和反弹机制，以实现最优的抗冲击性能。通过优化加强结构的不对称设计，可以有效提升结构在不同冲击位置下的抗冲击能力，从而提高航空结构的安全性和可靠性。

在实验和数值分析过程中，研究采用了多种方法来验证和优化结构的抗冲击性能。例如，通过低速冲击试验，研究可以直观地观察结构在不同冲击能量下的损伤情况。同时，有限元模拟可以提供详细的结构响应数据，包括载荷传递、能量耗散和损伤演化等过程。这些数据为结构设计和优化提供了重要的理论支持。此外，研究还结合了实验和数值分析的结果，进一步揭示了不同铺层配置和加强结构位置对冲击损伤的影响机制。

总体而言，本研究通过系统的实验和数值分析，揭示了L形复合材料加强结构在不同冲击位置下的损伤响应差异。研究发现，加强结构的不对称设计对冲击损伤具有显著影响，可以通过优化能量吸收和反弹机制来提升结构的抗冲击性能。这些发现不仅为航空结构的设计提供了新的理论支持，也为相关领域的研究提供了重要的数据基础。未来的研究可以进一步探索不同材料和结构配置下的冲击响应，以实现更全面的结构优化和性能提升。