《Polymer Composites》：Progressive Damage and Impact Behavior of Carbon Fiber/Epoxy-Aluminum 2024-T3 CARALL Composites: Experimental Investigation and Hybrid Finite Element Modeling Approach
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研究人员探讨了采用2/1层叠排列的碳纤维增强环氧树脂增强铝2024-T3纤维金属层板（FML）在低速冲击下的动态响应。通过落锤冲击试验，使用半球形冲头在60–120 J的冲击能量范围内进行了低速冲击测试。利用Abaqus Explicit软件，对层板进行了混合
研究人员探讨了采用2/1层叠排列的碳纤维增强环氧树脂增强铝2024-T3纤维金属层板（FML）在低速冲击下的动态响应。通过落锤冲击试验，使用半球形冲头在60–120 J的冲击能量范围内进行了低速冲击测试。利用Abaqus Explicit软件，对层板进行了混合有限元建模，其中铝板采用三维实体单元，复合材料层采用壳单元。在建模过程中，对铝层使用了Johnson-Cook损伤准则（J-C准则），对复合材料层使用了Hashin损伤准则。实验结果与数值模拟在力、能量和位移时程上呈现出良好的一致性，能量吸收相对误差小于3%，峰值力相对误差小于5%，最大位移相对误差小于7%。渐进失效机制，如金属凹陷、撕裂、基体开裂、纤维断裂和分层，均得到精确模拟。损伤区域分析表明，损伤扩展呈从冲击面到远端面的锥形扩散形式。
**研究背景与意义**
CARALL（碳纤维增强铝层板）作为纤维金属层板（FML）的子类，因其比模量和比强度显著高于GLARE（玻璃纤维增强铝层板）等材料，在轻量化飞机主结构中具有广泛应用前景。然而，在制造、维护及地面操作过程中，这些结构可能遭受低速冲击损伤，如基体裂纹、分层、纤维断裂及金属层凹陷，这些内部损伤肉眼难以察觉，却会大幅降低结构的剩余承载能力。现有研究多集中于GLARE，或对CARALL的穿透阈值、层板构型及偏心冲击进行探讨，但缺乏对2/1层叠CARALL界面损伤区域的量化分析、金属开裂阈值能量的确定，以及基于实验重复性（均值±标准差）的模型验证。为填补这些空白，本研究通过落锤冲击实验与混合有限元模型（FEM）相结合，系统研究了2/1 Aluminum 2024-T3/编织CFRP层板在不同冲击能量（60–120 J）下的动态响应、渐进损伤机制及界面失效演化。论文发表在《Polymer Composites》。研究结果表明：混合FEM模型对能量吸收、峰值力及最大位移的预测与实验高度吻合，相对误差分别低于3%、5%和7%；损伤呈锥形从冲击面向远端扩展；金属开裂的阈值能量约为100 J，为失效模式的分级提供了定量标准。该工作为CARALL结构在低速冲击下的损伤评估与抗冲击设计提供了可靠的理论依据。
**主要技术方法**
研究采用实验与数值模拟相结合的方法。实验中，碳纤维织物（200 g/m2）、环氧树脂（Sika CR80/CH80-2）及Aluminum 2024-T3（0.8 mm）分别购自土耳其供应商。通过真空灌注成型制造10层CFRP层板，经表面处理后与铝板用Araldite 2015粘合剂组装成[Al/CFRP(10)/Al]构型，固化后总厚度4.02 mm。使用Instron Ceast 9350落锤冲击试验机，采用20 mm直径半球形冲头、15.5 kg质量，对100×100 mm试样（夹具内径40 mm）施加60、80、100、120 J冲击能量，每个能量点重复3次。数值模拟采用Abaqus/Explicit混合网格：铝板用3D实体单元（C3D8R），CFRP用连续壳单元（SC8R），分别应用Hashin损伤准则（复合材料）和Johnson-Cook塑性及损伤准则（铝层），界面采用基于表面内聚力模型（Araldite 2015参数）。模型通过2 mm网格收敛性验证，总单元数为13,600个壳单元和5,440个六面体单元。
**研究结果**
**4.1 实验与有限元模型结果对比**
通过对比力-时间、能量-时间及力-位移曲线，验证了模型在全局响应上的准确性。实验与模拟的峰值力、能量吸收及最大位移最大相对误差分别为4.3%、2.8%和6.7%，均在实验重复性波动范围（3%–5%散度）内。力-时间曲线显示：初始阶段金属层承担载荷，随后纤维层提供能量耗散；冲击能量超过100 J后，曲线出现显著振荡，对应铝层表面裂纹。能量-时间曲线表明吸收能量随冲击能量单调增加，但裂纹扩展后耗散能力下降。力-位移曲线初始呈线性弹性，随后进入非线性塑性阶段，高能量下出现载荷骤降（纤维断裂）。后处理变形剖面显示，FEM模拟的凹陷、鼓包及元素删除（120 J时铝层断裂）与实验照片吻合。损伤形态分析表明，60 J和80 J时仅出现铝层凹陷和鼓包；100 J时铝层表面出现裂纹；120 J时发生铝层撕裂、纤维断裂和花瓣状失效。界面脱粘表现为背侧界面（CFRP/下铝层）损伤面积大于冲击侧界面（上铝层/CFRP），且随冲击能量增加，第一界面损伤面积从245 mm2增至444 mm2，第二界面从458 mm2增至606 mm2。总损伤面积（所有层）从60 J的4298 mm2增至120 J的6293 mm2，呈锥形扩展趋势。
**4.2 与文献的比较**
本研究的预测误差（能量吸收2.8%、峰值力4.3%）处于FML落锤冲击模拟误差范围（5%–15%）的较低端，优于Jakubczak等（后峰值偏差大）和Liu等（忽略复合材料塑性导致峰值力高估）的结果。峰值力与吸收能量随冲击能量单调递增的规律与Yu等、Dhaliwal和Newaz的发现一致，其中金属层控制初始刚度，碳纤维层控制载荷平台。失效模式的分级（弹性凹陷→铝层开裂→穿透撕裂）与文献中提出的阶段损伤描述相吻合，且100 J阈值能量为损伤状态提供了定量标记。本研究的创新在于：首次量化了2/1 CARALL中两个界面损伤面积的差异（第二界面始终大于第一界面），并揭示了锥形损伤扩展的冲击能量依赖性。
**总结与结论**
本研究通过实验与有限元分析，系统研究了60–120 J冲击能量下2/1 CARALL复合材料的冲击响应。主要结论如下：
- 在Abaqus/Explicit中开发的混合FEM模型（铝层用3D实体单元，CFRP用连续壳单元，结合Johnson-Cook和Hashin损伤模型）表现出优异性能。吸收能量、峰值冲击力和最大位移的预测值与实验值吻合良好，最大相对误差分别为2.8%、4.3%和6.7%。
- 宏观上，不同能量水平下观察到不同的失效模式。低于100 J时，损伤包括界面分层以及金属层凹陷和鼓包。随着冲击能量从100 J增加到120 J，损伤演变为更严重的基体断裂、纤维断裂以及下铝层裂纹形成。
- 损伤区域分布呈半球形冲头对应的锥形扩展。当冲击能量从60 J增加到120 J时，损伤区域从第一界面（上Al/CFRP界面）扩展到第二界面（下CFRP/Al界面），因此总内部损伤区域面积显著增加，从60 J时的4298 mm2增至120 J时的6293 mm2。
