复合材料层合结构小质量冲击接触力测量及分层阈值识别

It is difficult to measure the impact force for small mass impact on the composite laminates, and sometimes the impact force can not be measured directly at all. The delamination threshold load (DTL) is also difficult to be identified through impact force history. Generally, a large number of test is indispensable to find the DTL. It is significant to carry out the research on the testing technique of small mass impact. The dynamics responses of the metal impactor and the composite laminate during the small mass impact will be investigated firstly, and the contact force measurement will be proposed. The identification of DTL based on the impact force and the deflection velocity at the impact site will be studied, respectively. A spring activated "swing hammer" impact apparatus will be developed, the impactor of which can be separated from the swing arm during the impact. The impact force measurement method will be investigated with regard to the cases in which the contact force cannot be measured directly, such as the impact produced by hail ice or debris. The nonlinear displacement-force relationship will be determined through experiment and then used in impact force calibration. The delamination event identificaiton of the acoustic emission signal with and without impactor failure will investigated based on the signal decomposition and time-frequency analysis.

复合材料板在小质量物体冲击下接触力的测量较困难或者无法直接测量，而且不易根据接触力识别出分层损伤的阈值，通常需要进行大量的试验，然后进行损伤检测才能确定接触力的分层阈值。因此，为了发展小质量冲击损伤特性测试技术，有必要进行相关的实验技术研究。本课题首先进行小质量金属冲击头与复合材料层压板作用时的系统响应特性研究，然后研究基于冲击头响应的接触力测量方法；分别研究基于接触力信号和基于层压板冲击点速度突变的接触力分层阈值识别方法；研制冲击头和摇臂可脱离的"摆锤式"小质量冲击测试设备；针对冰雹、碎石等冲击下无法直接测量冲击体响应的情况，研究基于位移-接触力非线性函数关系的接触力反演方法；在上述研究内容的实验基础上，基于信号分解和时频分析方法，研究从含和不含冲击体破坏干扰的声发射信号中识别分层损伤事件的方法。

层合材料在横向冲击载荷下容易产生分层损伤，在投入使用之前需要进行大量的抗冲击性能测试。航空器结构、光伏设备、高速列车车体会受到碎石、冰雹等小质量物体的冲击，这也会使其内部产生目视难检的分层损伤。这种损伤除了直接降低静强度，还会引起疲劳问题，所以层合材料小质量冲击下的分层阈值是非常重要的冲击阻抗参数。小质量冲击下，板的响应通常以弯曲波和剪切波为主，结构响应复杂，而且由于冲击过程短，冲击头本身的响应会影响接触力的测量，因此多种因素造成分层损伤阈值识别的困难。如果冲击体很小或者冲击体会破碎，则难以直接测量接触力。.本课题围绕复合材料层压板受小质量物体冲击时的接触力测量及分层阈值的确定技术而展开。研发了能模拟小质量物体自由冲击的实验设备，并且其加速过程和冲击过程可控，便于实施材料的测试，使用22 g的冲击头，可实现30 m/s的冲击速度和13 J的冲击能量。.分别通过冲击头应变、加速度和板冲击点速度响应计算冲击载荷。通过前两者得到的力信号的突降和峰值载荷可以确定分层损伤的临界载荷。对于由冲击点速度得到的力信号，只有当激光位移传感器的采样率大于200 kHz时，才能检测到速度的突变，识别出损伤发生的时刻与对应的载荷。.同时研究了大质量、小质量金属力锤冲击和冰球冲击下层压板损伤时声发射信号的特征。前两种情况下，可以通过时域信号中的信息判断出损伤发生的时刻，对于冰球的冲击情况，由于冰球碎裂产生的信号频域很宽，一般会掩盖声发射损伤信号。.另外，通过本项目的研究，提出了落重冲击下，共固化复合材料壁板梁缘条的分层临界载荷模型，改进了基于剪切强度的分层载荷模型，提出了含分层区的层压板等效刚度的解析模型。.本项目的研究工作实现了预期目标。实验技术本身可以用于多种材料的特殊情况下抗冲击性能测试。并揭示的很多冲击的过程中的现象。发展了一些冲击载荷计算方法。这些工作的可以用于结构的健康监测。