揭示两次低速冲击下损伤相互作用对双层双斜交层合板压缩行为的影响

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Revealing the effect of damage interaction on the compressive behavior of Double-Double laminates under double low-velocity impacts

　　

•揭示了DD层压板在双重冲击下的损伤相互作用。
•DD层压板表现出更小的分层面积和更高的抗冲击性能。
•更大的DBIP削弱了损伤耦合并改善了残余CAI性能。
•DD层压板表现出延迟屈曲和更稳定的屈曲后演化。
•DD2表现出分布性屈曲和倾斜的、纤维主导的断裂路径。

引言

碳纤维增强塑料（CFRP）层压板凭借其优异的性能，特别是高的比强度和比刚度，以及良好的疲劳抗力，在航空航天结构中得到了广泛应用。然而，自20世纪60年代以来，常规层压板的设计主要局限于仅包含四种纤维取向的铺层，由0°、90°和±45°组成，限制了特定方向上的刚度定制。正如Tsai等人[1]所描述的，Double-Double（DD）层压板采用重复的[±φ/±ψ]四层建筑块。通过调整两个设计角度，DD层压板可以匹配不同的载荷条件，简化铺层设计，通过均质化实现自然对称，并减少层压板厚度[2]、[3]、[4]。已发表的几项研究主要关注铺叠顺序优化和轻量化设计。Zhao等人[5]建立了DD铺层的可行设计空间。Shrivastava等人[6]提出了一种基于DD层压板优化飞机翼面铺层的方法，利用遗传算法和失效准则。他们发现可以实现约24%的质量减轻。Kappel[7]表明，DD层压板可用于识别特定载荷条件下的最优铺层，为航空航天结构的轻量化设计提供了新的可能性。Vermes等人[8]分析了两种代表性复合材料构件，并证明优化后的DD铺层能提供与最有效的Quad设计相当的性能，同时将结构重量减少6%。Garofano等人[9]报告称，通过DD优化的机身蒙皮在碰撞场景中实现了69.8%的蒙皮重量减轻。此外，通过采用Tsai模量和主铺层概念[10]，DD层压板得到了高效表征，无需指定与准各向同性层压板相关的四种传统刚度参数。然而，由于复合材料层压板结构的层间性能相对薄弱，容易发生厚度方向损伤。由跑道碎片、掉落工具或冰雹引起的低速冲击（LVI）可能在表面无迹象的情况下引发内部损伤。这种隐约可见的冲击损伤（BVID）在复合材料层压板的冲击性能评估中通常被归类为无缺陷。然而，由此产生的分层和内部裂纹会降低整体结构刚度[11]。因此，需要对冲击后复合材料结构的完整性进行定量评估[12]。鉴于冲击引起的损伤会导致压缩承载能力显著降低，冲击后压缩（CAI）试验已成为关键的评估方法。ASTM D7137[13]提供了一种确定受损聚合物基复合材料板压缩残余强度的标准化方法。为满足离散系数要求，需要大量的CAI试样。然而，CAI强度受众多复杂因素的影响，仅从常规铺层的CAI试验中得出的设计许用值无法准确代表真实的损伤容限。因此，详细研究DD层压板的CAI损伤行为对于开发损伤容限设计至关重要。

近期研究比较了DD层压板与常规层压板的冲击和CAI性能。Kappel等人[14]观察到，冲击后的DD层压板在厚度过渡区域表现出不同的分层模式，而其CAI强度与常规层压板相当。Da Cunha等人[15]比较了Quad层压板及其等效DD层压板的低速冲击响应。他们报告称，尽管在等效冲击能量下CAI强度相当，但DD层压板表现出不同的损伤形态。Targino等人[16]研究了AS4/8552 DD层压板在不同冲击能量下的残余压缩能力。他们的工作证实，DD层压板的CAI强度与传统层压板相当，额外的好处是分层分布更加均匀。Shabani等人[17]使用数值模型表明，等效DD层压板可以匹配Quad层压板的残余CAI强度。他们还开发了一种计算工具，用于识别等效DD构型并优化铺叠顺序。Chang等人[18]证明，与传统Quad层压板（LQL）相比，DD层压板表现出优异的抗冲击性能，投影分层面积最多减少了50.83%。Mudassar等人[19]数值比较了Quad层压板和采用不同刚度匹配准则设计的若干DD构型的低速冲击响应。他们的结果表明，DD层压板的冲击响应和损伤发展受拉伸和弯曲刚度分布的共同影响。此外，其他研究表明，通过匹配LQL设计的DD层压板可以有效减少基体开裂和分层，并改善残余CAI强度[20]、[21]。另外，Vescovini等人[22]评估了平板和锥形非织造织物（NCF）试样的CAI行为，采用单双层叠（SD）。结果表明，锥形截面抑制了整体屈曲并促进了层间内损伤。

然而，上述研究主要关注单次冲击条件，而复合材料结构在实际服役过程中往往承受多次低速冲击事件。多次冲击的累积损伤会进一步降低结构承载能力[23]、[24]。Li等人[25]表明，冲击能量对力学响应的影响强于重复冲击次数，但CAI强度随次数增加而降低。Jefferson等人[26]评估了修复的玻璃纤维增强聚合物（GFRP）层压板在重复冲击载荷下的CAI强度。Saleh等人[27]报告称，3D编织层压板有效抑制了分层扩展，表现出优异的损伤容限。此外，Hu等人[28]表明，极低能量的首次冲击可以引发局部硬化，略微增强同一位置对第二次冲击的抗力。关于DD层压板重复冲击的研究仍然极为有限，文献中仅发现两项研究。Zhang等人[29]通过数值模拟研究了DD层压板在同一位置双重冲击下的响应。他们的结果表明，DD层压板保持了与Quad层压板相当的峰值载荷，同时表现出更小的分层面积。此外，随着首次冲击能量的增加，CAI强度显著降低。Chang等人[30]观察到，与Quad层压板相比，DD层压板在重复低速冲击下承受了更大的冲击载荷并保持更优的CAI强度。然而，与同一位置的重复冲击相比，在实际服役条件下，结构表面更可能发生多点冲击。冲击点间距（DBIP）可以改变局部刚度、损伤相互作用及随后的CAI响应。Liao等人[31]指出，紧密间隔的冲击会使首次冲击建立的边界改变第二次冲击的损伤形态，诱导不对称的分层扩展。Lyu等人[32]揭示，冲击损伤强烈影响局部结构刚度，CAI强度对DBIP敏感。Zhu等人[33]研究了冲击能量和距离对复合材料夹层结构CAI强度的影响。最近，Gao等人[34]研究了DBIP和冲击能量对薄交叉铺层CFRP层压板损伤演化和残余压缩性能的影响。他们的结果表明，CAI强度随DBIP呈非线性增长，并提出损伤放大因子来量化相邻冲击区域之间的相互作用。然而，该研究仅限于常规交叉铺层层压板。刚度等效DD层压板中DBIP依赖性损伤相互作用、屈曲演化与残余压缩行为之间的关系仍然了解不足。

为进一步阐明该问题，本研究在DBIP为0、30和60 mm条件下，对两种常规Quad层压板及其面内刚度等效的DD层压板进行了双重低速冲击，随后进行CAI试验。联合采用超声C扫描、应变监测和三维数字图像相关法（3D-DIC）来表征冲击引起的损伤形态和压缩过程中的屈曲演化。除比较冲击响应和残余CAI强度外，本研究还考察了DBIP依赖性损伤相互作用、屈曲演化与最终压缩失效之间的关系。这种综合分析有助于更全面地理解DD层压板在多次冲击事件下的损伤机制。

材料片段与试样

采用T700/EM817单向预浸料作为层压板制造原料。该预浸料的名义铺层厚度为0.13 mm，近似纤维体积分数为59%，其材料性能总结于表1。

按照图1所示的固化条件，层压板在 autoclave（热压罐）中固化。首先，温度以1 °C/min从室温升至125 °C，保温2小时，随后以相同速率冷却至40 °C。

低速冲击

如图6所示，冲击响应曲线包含若干关键特征参数。分层阈值力Fi定义为弹性阶段后出现首次明显载荷下降的点，标志着初始分层的起始[36]、[37]。载荷随后增至峰值力Fmax，渐进的内部损伤积累降低了承载能力。在达到最大位移δd后，冲击头开始回弹，最后……

CAI损伤模式分析

Hard1层压板与等效DD2层压板的压缩失效形态进行了对比，如图18所示。在0 mm DBIP条件下，Hard1层压板的主要断裂带倾向于沿试样宽度方向传播，伴有大量不规则基体裂纹和局部纤维断裂。这种形态表明，重叠的冲击损伤在压缩过程中产生了高度局部化的应力集中，促进了分层扩展和……

结论

本研究在三个DBIP条件下对常规Quad层压板及其面内刚度等效DD层压板进行了双重低速冲击，考察了其冲击损伤、残余压缩性能和屈曲演化。主要结论如下：

(1) DD层压板表现出比相应Quad层压板更高的抗冲击分层能力。其投影分层面积更小、更紧凑，最大减小32.3%。增加DBIP……

CRediT作者贡献声明

Libin Zhao：撰写–审阅与编辑、资金获取。Ning Hu：撰写–审阅与编辑、资源。Zhaobin Li：可视化、调查研究。Jianyu Zhang：监督、项目管理、资金获取。Yuting Gao：撰写–原稿、验证、方法论、调查研究、数据管理。Yu Gong：撰写–审阅与编辑、撰写–原稿、监督、方法论、调查研究、资金获取、形式分析、概念化。Chuanzeng Zhang：

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金资助（项目编号：U23A2067、12172067和12372128）。

Yuting Gao|Yu Gong|Zhaobin Li|Jianyu Zhang|Libin Zhao|Ning Hu|Chuanzeng Zhang