一种用于CFRP复合材料梁在低速冲击下渐进损伤的新分析模型

《Polymer Composites》：A New Analytical Model for Progressive Damage in CFRP Composite Beams Under Low-Velocity Impact

碳纤维复合材料梁的低速冲击响应预测研究提出了一种简化的质量弹簧模型，通过损伤系数和位移阈值模拟损伤演化过程。实验验证了该模型在2-20J能量范围内对能量吸收（误差<5%）和刚度退化的准确性，但未考虑材料阻尼及分层传播的影响。

　　

摘要

低速冲击（LVI）对碳纤维增强聚合物（CFRP）复合结构的影响在航空航天和汽车工业中是一个关键问题，因为这种冲击可能会在复合材料内部造成损伤，而在外部几乎看不到明显的痕迹。本研究提出了一种简化但强大的分析模型——质量-弹簧模型，能够准确预测复合材料梁在低速冲击条件下的力学响应。该模型通过逐步降低刚度来模拟从初始接触到最后失效的损伤过程。模型采用单自由度公式，并通过两个关键参数来表征损伤：损伤系数和损伤位移阈值。实验中使用落锤冲击机对CFRP梁进行了能量范围为2至20焦耳的冲击测试。该模型通过能量-时间和力-时间曲线进行了校准和验证。在弹性区域（2–7.5焦耳），模型能够准确捕捉到正弦波形的响应，并且能量损失很小，预测的能量与实测值相差不超过5%。在损伤区域（10–15焦耳），随着刚度的逐渐降低，模型预测的吸收能量在2.2至7.77焦耳之间，与实验结果非常吻合。在失效区域（17.5–20焦耳），模型预测冲击能量被完全吸收，刚度完全丧失，损伤位移约为4毫米。所提出的模型提供了一种物理意义清晰且简单的分析方法，可用于预测低速冲击引起的响应，从而准确估算不同冲击条件下的力变化、峰值位移和能量耗散。然而，该模型没有考虑材料的阻尼效应或分层现象，而这些因素可能会影响高频振荡和冲击后的行为。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。