斜向准静态压痕和混合编织复合材料层合板的残余压缩行为

《Materials》：Oblique Quasi-Static Indentation and Residual Compressive Behavior of Hybrid Woven Composite Laminates

　　

研究了斜向准静态压痕（QSI）角度对碳-玻璃混合编织复合材料层合板损伤演化和残余压缩行为的影响。研究人员使用半球形压头在15^°和30^°斜角下进行压痕试验，每个压痕角度测试了三个QSI试样和两个CAI（压痕后压缩，compression after Indentation）试样，同时每个角度对一个代表性试样进行了CT分析。结果表明，增加压痕角度对峰值压痕载荷影响很小，但显著增加了峰值载荷处的位移和总能量吸收。CT分析显示，与15^°观察到的局部损伤模式相比，30^°压痕导致更宽且更分散的损伤形态。有趣的是，30^°试样的残余CAI强度高于15^°试样，这可能与更分散的损伤形态和局部损伤集中严重程度降低有关。使用Abaqus/Explicit中实现的均质化铺层水平Hashin渐进损伤模型进行的渐进损伤分析与实验结果吻合良好。这些结果提供了对混合编织复合材料中斜向接触损伤机制的深入理解，这对于损伤容限航空航天结构设计非常重要。

纤维增强聚合物（FRP）复合材料因高比刚度、比强度和设计灵活性，在航空航天结构中广泛应用，但面临外部载荷下内部损伤隐匿（barely visible impact damage，BVID）的突出问题。现有研究多关注法向接触，而实际服役中斜向接触更为常见，其引入的切向分量会改变损伤形态和能量耗散。为此，研究人员对碳-玻璃混合编织复合材料层合板开展了斜向准静态压痕（QSI）及压痕后压缩（CAI）研究，旨在揭示斜向角度对损伤演化及残余压缩行为的影响机制。该论文发表在《Materials》。

研究人员采用手糊和真空袋固化工艺制备了铺层顺序为[(±45)g/(0,90)c]_4S的混合编织层合板（碳纤维和E-玻璃纤维平纹织物，环氧树脂Epikote E51-618）。主要关键技术方法包括：QSI测试（半球形钢制压头，直径16 mm，在15^°和30^°斜角下以1 mm/min速率加载，依据ASTM D7136）；CAI测试（位移控制0.5 mm/min，依据ASTM D7137）；内部损伤表征采用工业微焦点CT系统（Diondo GmbH，160 kV，110 μA，体素尺寸0.037 mm）；有限元模拟基于Abaqus/Explicit，采用均质化铺层水平的Hashin三维渐进损伤准则，层间黏聚相互作用模拟分层，接触摩擦系数μ=0.3。

研究结果如下：

**3.1 QSI Behavior of Hybrid Laminates**
通过实验力-位移曲线发现，两种角度下均呈现线性段、非线性损伤发展段和峰后下降段。15^°和30^°的平均峰值载荷分别为10.57 kN和10.66 kN，差异小于1%，但峰值位移从6.87 mm增至12.92 mm，总能量吸收从70.86 J增至102.44 J，表明角度主要影响变形和能耗。CT分析显示，15^°损伤集中在压痕区域，而30^°损伤更宽且方向性更强，损伤直径从16.791 mm增至20.366 mm，最大深度从4.359 mm增至4.594 mm。

**3.2 Numerical Analysis of QSI Tests**
模拟得到的von Mises应力云图和Hashin纤维压缩损伤云图显示，应力集中和损伤区域与实验定性一致：15^°损伤紧凑，30^°损伤更分散。力-位移曲线对比表明，模型能捕捉总体趋势，但对30^°的变形能力预测偏低，可能与均质化假设、接触摩擦和材料参数有关。

**3.3 CAI Behavior of Hybrid Laminates**
CAI实验显示，15^°压痕试样的平均残余压缩强度为60.72 MPa，30^°为82.18 MPa，提升约35.36%。后破坏照片表明，15^°损伤更局部化，导致更早的压缩失稳；30^°损伤更分散，延缓了失效。CT测量支持这一解释：30^°试样损伤直径大21.29%，但体积仅增4.54%，说明空间分布而非总量是主因。

**3.4 Numerical Analysis of CAI Tests**
模拟的CAI峰值载荷与实验吻合良好：15^°预测19.43 kN（实验平均19.43 kN），30^°预测26.93 kN（实验平均26.30 kN）。损伤云图显示压痕区域主导压缩失效，30^°模拟的损伤区域更大、更分散，与实验一致。

讨论部分指出，30^°斜向压痕产生的更分散损伤降低了局部应力集中，从而提高了残余压缩强度。研究结论翻译如下：

（1）GC层合板在两种斜角下峰值压痕抗力相近（15^°平均10.57 kN，30^°平均10.66 kN），表明角度对最大载荷影响小，但显著影响变形和能量吸收：峰值位移从6.87 mm增至12.92 mm，总吸收能从70.86 J升至102.44 J。（2）表面损伤和CT结果显示损伤形态依赖角度：15^°为紧凑局部损伤，30^°为更宽、方向性更强的损伤模式，归因于切向分量的增加。代表性CT测量（b-30-3）显示损伤直径和深度大于b-15-3，但仅为支持性证据而非统计平均。（3）CAI结果表明30^°试样的残余压缩性能优于15^°试样，平均残余强度从60.72 MPa升至82.18 MPa（提升35.36%），表明30^°产生的损伤虽更大但更分散，对压缩失效的临界性低于15^°的局部损伤。后CAI破坏显示失效始于压痕区并扩展。（4）数值模拟再现了主要实验趋势，包括QSI力-位移响应、应力集中、损伤起始以及30^°更高的CAI强度，预测峰值载荷精度良好。建议进一步校准接触摩擦、黏聚属性和损伤退化参数以提高预测准确性，尤其对于更高斜角。在测试角度范围内，增大压痕角度从15^°到30^°改变了变形响应、能量吸收和损伤形态，显著提高了残余压缩强度，为混合编织复合材料结构的损伤容限设计和数值评估提供了重要依据。