复合材料层合板低能量冲击损伤表征技术研究

This paper aims to study composite laminates after a hit, the use of fuzzy comprehensive evaluation method, to produce scientifically characterize injury, damage characterization established mathematical model, given the failure to damage morphology of composite structures based on criterion. Topics of scientific, basic, practical, comprehensive and cutting-edge. Material structure in the processing, storage and transportation, installation and use, bound to be a collision and impact, and it will cause some degree of damage. In some cases damage is discovered after the material has been subjected to perceive the impact, then the impact energy has been difficult to trace, but even if the impact occurred in front of the impact energy is difficult to determine. In addition, the impact occurs, the impact energy research investigated the impact of liability or accountability has been unhelpful. Thus, according to characteristics of the impact caused damage to determine whether the failure, it is very important. The damage of a complex, cause of failure is more complex, more difficult to define. The topic to 6.75 multiples of composite laminates thickness value of the impact energy reference design impact test, the impact of injuries by an ultra deep optical instrument testing to laminates whether to generate penetrating injuries to fail basis, using the comprehensive evaluation method of fuzzy mathematics, for quantify the impact damage characterization.

本课题旨在研究复合材料层合板在遭受冲击后，利用模糊数学综合评价方法，对产生的损伤进行科学地表征，建立损伤表征数学模型，给出以损伤形貌为依据进行复合材料结构失效判据。选题具有科学性、基础性、实用性、综合性和前沿性。材料结构在加工、储运、安装和使用过程中，难免受到碰撞和冲击，并因此会造成一定程度的损伤。有些情况是发现损伤后才察觉材料已经受到过冲击，此时冲击能量已无从考证，而即使冲击发生在眼前，其冲击能量也难以确定。此外，冲击发生后，追究考证冲击能量或者追究冲击责任已于事无补。因此，根据冲击造成的损伤特征来判断其是否失效，就显得非常重要。而损伤构成复杂，造成失效的原因更为错综复杂，难以界定。本课题以复合材料层合板厚度的6.75倍数值为冲击能量基准，设计冲击实验，通过超景深光学仪器检测冲击伤痕，以层合板是否产生贯通伤为失效依据，采用模糊数学的综合评价方法，对冲击损伤进行量化表征。

依据立项研究计划，课题组进行了复合材料层合板低能量冲击损伤表征技术研究。.首先进行了实验设计，确定了实验方案，包括冲击实验、冲击损伤检测实验、冲击前后复合材料力学性能对比实验等。根据实验方案，开发研制了复合材料板的落锤冲击卡具、冲击头、超景深观测辅助卡具等。.其次建立了损伤-失效表征数学模型，采用模糊数学理论，先后建立了模糊综合评判模型、贴近度模型，有效地表征了损伤与失效必然联系，并开发了表征软件。.作为成果，发表学术论文9篇（包括两篇前期研究成果），软件一个。.本研究以不同厚度的玻璃纤维/环氧单向层合板、玻璃纤维/环氧多向层合板、碳纤维/环氧单向层合板、碳纤维/环氧多向层合板这四种不同类型的层合板作为研究对象。利用落锤式冲击试验机进行低能量冲击试验，单向层合板的冲击能量值确定为各自板厚的1~5倍，多向层合板的冲击能量值确定为各自板厚的2~6倍。用超景深显微镜观察冲击损伤形貌，观测记录层合板正面和背面的损伤特征信息，包括层合板正面凹坑深度、冲击损伤面积、凹坑长轴、裂纹长度、裂纹宽度以及层合板背面裂纹长度、裂纹宽度等。.根据上述实验数据，文中采用模糊数学方法，进行损伤行为表征，以是否产生贯通伤为界定，判定试验件是否失效。将层合板表面的损伤特征作为评价因素指标，利用模糊数学中的模糊综合评价和贴近度法建立数学模型，建立复合材料低能量冲击后表面损伤与对应是否失效的判据。最后文中用MATLAB GUI软件结合复合材料冲击损伤形貌-失效表征数学模型，开发了复合材料层合板冲击损伤评定系统。结果表明，本文提出的基于表面损伤程度为判据，表征冲击损伤程度的数学模型精确、全面、适用性强；开发的软件实用，具有一定的理论指导意义和实际工程应用价值。