纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比剛度高，特別是可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，因而在許多重要的工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中常常會遇到的諸如工具墜落、設(shè)備撞擊等低速沖擊使其容易產(chǎn)生損傷，并且表面損傷往往很小，很難直接觀察到，而內(nèi)部和沖擊內(nèi)表向往往損傷嚴(yán)重，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性有所降低，這已經(jīng)成為限制復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)得到更廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素。近年來，許多學(xué)者都針對復(fù)合材料在工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的沖擊損傷問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究及理論數(shù)值分析，并取得了一定的進(jìn)展。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)看，大部分研究者都只研究了沖擊能量對層合結(jié)構(gòu)沖擊損傷的影響，對其他一些重要影響因素，例如層合結(jié)構(gòu)的鋪層參數(shù)、材料體系等往往關(guān)注不夠，而這些問題的深入研究是相當(dāng)重要的。筆者應(yīng)用三維逐漸累積損傷分析方法及數(shù)值分析技術(shù)，詳細(xì)探討了不同材料的沖頭、不同復(fù)合材料體系和不同鋪層方式等因素對層合板沖擊損傷的影響規(guī)律，為更有效地進(jìn)行復(fù)合材料抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

1　理論分析

理論分析采用三維逐漸累積損傷分析模型，該模型一般包括兩部分：應(yīng)力分析和失效分析。通常應(yīng)力分析都采用有限單元分析技術(shù)，對復(fù)合材料層合板而言，其應(yīng)力分析的基礎(chǔ)是經(jīng)典層合板理論。采用ANSYS軟件對復(fù)合材料層合板進(jìn)行應(yīng)力分析。失效分析是逐漸累積損傷分析方法中的一個(gè)重要步驟，它直接關(guān)系到整個(gè)分析過程結(jié)果的好壞。失效分析主要包括失效準(zhǔn)則和參數(shù)退化兩部分。

1.1　失效準(zhǔn)則

關(guān)于沖擊損傷失效準(zhǔn)則，許多學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究。Chang等通過對含應(yīng)力集中復(fù)合材料層合板的研究提出了纖維失效和基體開裂的準(zhǔn)則，其中關(guān)于纖維失效的準(zhǔn)則中只考慮了應(yīng)力分量σ₁₂對纖維失效的影響而沒有考慮應(yīng)力分量σ₁₃，實(shí)際上，σ₁₃和σ₁₂對纖維失效有同樣的影響；在關(guān)于基體升裂的準(zhǔn)則中，沒有考慮應(yīng)力分量σ₂₃的影響，而σ₂₃對基體中剪切裂紋的產(chǎn)生起主要作用。Hou等對上述準(zhǔn)則進(jìn)行了修正，考慮了各種應(yīng)力對不同失效模式的影響后，提出了包括基體開裂、基體擠壓破壞、分層和纖維斷裂四種主要失效模式的沖擊損傷失效判據(jù)，Li等、Qi等均采用該判據(jù)進(jìn)行了層合板的低速沖擊損傷分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了其合理性。故本研究采用Hou的沖擊損傷失效準(zhǔn)則：對于基體開裂失效模式（σ₂₂≥0）

　　對于基體擠壓破壞失效模式（σ₂₂＜0）

　　對于分層失效模式（σ₃₃≥0）

　　對于纖維斷裂失效模式

式中，σ_ij為各單元與材料主方向相對應(yīng)的應(yīng)力分量，i=1，2，3，j=1，2，3；S_ij為單層板的剪切強(qiáng)度；σ_Tx、σ_Ty、σ_Tz分別為單層扳沿x、y、z方向的抗拉強(qiáng)度；S_m23為橫向與厚度方向基體開裂的剪切強(qiáng)度；S₁₂₃是橫向與厚度方向分層的剪切強(qiáng)度；S_f為考慮纖維失效的剪切強(qiáng)度；σ_Cy為單層板沿y方向的抗壓強(qiáng)度。

1.2　參數(shù)退化

單元發(fā)生破壞后，該單元的剛度將發(fā)生變化，應(yīng)力在各單元中的分布也隨之改變。Hou等在對層合板的沖擊過程進(jìn)行分析時(shí)，選擇了以應(yīng)力退化作為更新策略，這種方式不能反映出材料本身性能的退化。Tan等把由不同損傷模式引起的材料剛度下降用不同的損傷內(nèi)狀態(tài)變來表示，同時(shí)通過大量的試驗(yàn)研究確定了這些變量的值。筆者在對層合板的沖擊分析中采用了該參數(shù)退化方式，如表1所示。