，，

(中国民航大学中欧航空工程师学院，天津 300300)

1 前 言

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP：Carbon Fiber Reinforced Plastics)因其优异的性能，在民用航空领域已获得广泛使用[1-3]。但是复合材料抗冲击性能较差，飞机在服役过程中经常会受到不同情况的冲击损伤，如飞鸟撞击、冰雹等[4]，因此复合材料抗冲击性能的研究一直在复合材料的研究中占有重要地位[5-7]。考虑到飞机复杂的服役环境，研究已经表明高温、高湿会影响材料的性能[8-13]。因此复合材料在湿热环境下遭受外物冲击，其冲击损伤较一般环境会更加严重，影响飞机安全运行。

研究人员对复合材料抗冲击性能的研究已取得了一些进展：Moura[6]等利用实验方法，研究了低速冲击CFRP复合材料层合板损伤情况，表明在冲击作用下，材料内部产生分层，分层通常呈纺锤形状；庄茁[7]等人利用有限元数值模拟方法，研究了玻璃纤维/环氧树脂层合板受冲击的分层损伤情况。但是关于复合材料湿热老化后冲击性能变化的文献较少。

在冲击过程中，考虑湿热因素造成的预损伤，更贴近真实的损伤过程，目前这方面的研究鲜有报道。复合材料吸湿实验耗时长，冲击性能测试成本较高，通过数值模拟的方法研究湿热环境对复合材料冲击损伤的影响能够更全面、更灵活地分析问题。

本文利用ABAQUS有限元软件，建立了HT3/5222碳纤维环氧树脂单向复合材料层合板冲击模型，计算研究了温度和吸湿率变化对层合板损伤的影响，并确定了不同条件下，层合板出现初始损伤和穿透的冲击能量阈值。

2 有限元建模

2.1 几何模型与网格划分

HT3/5222单向复合材料层合板是以5222环氧树脂体系浸渍HT3碳纤维的复合材料，通过ABAQUS软件建立2000×2000×2mm层合板几何模型，铺层方式为[0]16，每层厚度为0.125mm，厚度远小于长度尺寸，可设置为薄壳(Shell)结构。综合考虑计算效率及冲击损伤分析需要，对层合板进行简化处理，将相邻两层单层板合并进行分析，铺层形式变为[0]8，每层厚度为0.25mm。层合板密度为1.57g/cm3，不同温度、吸湿率下，性能参考《中国航空材料手册》(第2版)第6卷复合材料性能设置[14]，手册中数值均为实验所得数据。

单层板划分网格采用S4R单元，共1200个单元，1241个节点，以此为基础，通过网格编辑的“偏移”设定剩余铺层；同时考虑冲击对层间的损伤，通过“偏移”在铺层之间设定粘结层，粘结层性能设置为5222环氧树脂的性能[14]，划分网格采用COH3D8单元，每层粘结层1200个单元，2482个节点。图1为层合板几何模型。

图1 层合板几何模型Fig.1 Finite element model of the CFRP laminate

图2 冲击圆球几何模型Fig.2 Finite element model of the sphere

冲击物为直径60mm的球体。图2为冲击圆球几何模型，密度为0.905g/cm3，弹性模量为9.35GPa[15]。

2.2 边界条件、载荷与接触

层合板四边固定，约束其所有自由度。圆球除冲击方向不设线位移约束，约束其他所有自由度。圆球的冲击速度、层合板温度及吸湿率均以预定义场形式进行设定。定义层合板与圆球之间面面接触。

3 计算结果与分析

3.1 冲击损伤模式

以20℃、干态下，冲击能量为50J为例分析层合板冲击损伤结果。图3给出了冲击能量为50J时第一层(冲击正面)、第五层(中间层)、第八层(冲击背面)的应力云图。由图可见，应力分布大致呈纺锤形，形状与实验结果吻合[16-17]。对比三层应力云图，内层损伤面积较外层更为严重，第一层和第八层损伤面积相似。

3.2 临界冲击能量

层合板受不同能量冲击，损伤过程经历四个阶段：第一阶段是无损阶段，即冲击能量不足以对层合板造成冲击损伤；第二阶段是初始损伤，即冲击能量超过某一临界值，层合板产生损伤，该研究中称之为初始损伤能量阈值(EInitial damage)；第三阶段是损伤扩展阶段，即层合板的损伤情况随着冲击能量的增加而不断加深，但层合板仍未穿透；第四阶段是穿透阶段，即当能量大于某一临界值，层合板被冲透，完全失效，本文称之为穿透能量阈值(EFailure)。确定复合材料层合板在不同温度、吸湿率下的能量阈值，对于材料的工程应用具有重要的意义。

图3 损伤面积 (a) 第一层； (b) 第五层； (c) 第八层Fig.3 Impact damage area of (a) the first layer; (b) the fifth layer; (c) the eighth layer

3.2.1温度对临界冲击能量的影响 通过多次设定冲击能量，并计算冲击后的应力分布，与《中国民航材料手册》中HT3/5222复合材料单向层合板在不同温度、吸湿率下的强度进行比较[14]，分别得到20℃、80℃、120℃下初始损伤能量阈值。以20℃为例，图4(a)为20℃下层合板出现初始损伤的应力云图，冲击能量为14.7J，损伤出现在第五层，最大应力值为66.34MPa，损伤面积约为11.5cm2。通过多次设定冲击能量，直至层合板被冲透时对应的冲击能量为穿透能量阈值，利用此法得到20℃、80℃、120℃下穿透能量阈值。以20℃为例，图4(b)为层合板被冲透，露出冲击球体时的应力云图，冲击能量为327J。表1列出了不同温度下的临界冲击能量。

图4 20℃初始损伤，冲透应力云图 (a) 初始损伤应力云图； (b) 冲透应力云图Fig.4 Stress distribution at 20℃ (a) initial damage; (b) failure

Temperature/℃EInitialdamage/JEFailure/J2014 7327 08011 5270 01206 2225 0

从表1可以看出，EInitial damage随温度的上升，逐渐减小，由20℃时的14.7J下降到120℃时的6.2J，下降了58%。EFailure随温度变化表现出相同趋势，由20℃时的327J下降到120℃时的225J，下降了31%。

分别对表1数据进行拟合，得到临界冲击能量随温度变化的式(1)、(2)。

(1)

EFailure(T)=-1.014T+348.395

(2)

3.2.2吸湿率对临界冲击能量的影响 利用同样的方法，计算得到干态、吸湿率为1%和1.4%时初始损伤能量阈值与失效能量阈值。表2为不同吸湿率下的临界冲击能量，图5为临界冲击能量随温度变化曲线。EInitial damage和EFailure均随吸湿率的上升，逐渐减小，分别由干态时的14.7J和327J下降到5.7J和210J，下降了61%和35%。

表2 不同吸湿率下的临界冲击能力

分别对图5两条曲线进行拟合，得到临界冲击能量随吸湿率变化的式(3)、(4)。

(3)

(4)

3.3 冲击损伤面积

图5 临界冲击能量随吸湿率的变化曲线 (a) 初始损伤冲击能量随吸湿率的变化曲线； (b) 穿透冲击能量随吸湿率的变化曲线Fig.5 Critical impact energy versus rate of moisture absorption (a) impact energy of initial damage; (b) impact energy of failure

Impactenergy/JDamageareaofuppersurface/cm2Damageareaofmiddlesurface/cm2Damageareaoflowersurface/cm220℃80℃120℃20℃80℃120℃20℃80℃120℃206 921 933 925 030 050 01 721 229 480143 7211 5265 6175 0248 7296 9156 2199 4257 7130300 6377 0453 7329 1416 2487 5250 0381 4425 0200633 71087 51406 2665 61190 01490 0625 01154 01440 0

3.3.1温度对冲击损伤面积的影响 表3给出温度分别为20℃、80℃、120℃，冲击能量分别为20J、80J、130J、200J下，第一、五、八层的损伤面积。温度由20℃升至120℃，冲击能量为20J时，第一层损伤面积由6.9cm2增大至33.9cm2，扩大了3.9倍；冲击能量为200J时，损伤面积由633.7cm2增大至1406.2cm2，扩大了1.2倍。第五层损伤面积最大，当温度由20℃升至120℃，四种冲击能量下，损伤面积分别扩大了1倍、0.7倍、0.5倍、1.2倍。第八层层合板在冲击能量为20J下，120℃的损伤面积较20℃扩大了16.3倍；在冲击能量为200J下，120℃的损伤面积较20℃扩大了1.3倍。由此可见，对于第一层和第八层，温度的升高对低能冲击损伤的影响更为严重。

图6为第一、五、八层在不同温度下损伤面积随冲击能量的变化曲线。由图6可见，损伤面积随冲击能量的升高而增大，且温度越高，增幅越大。

图6 第一、五、八层在不同温度下的损伤面积随冲击能量变化曲线 (a) 第一层； (b) 第五层； (c) 第八层Fig.6 Impact damage area of (a) the first layer; (b)the fifth layer; (c)the eighth layerversus energy at different temperatures

3.3.2吸湿率对冲击损伤面积的影响 表4给出吸湿率分别为0%(干态)、1%、1.4%，冲击能量分别为20J、80J、130J、200J下，第一、五、八层的损伤面积。图7为对应曲线。由此可见，与温度对冲击损伤面积的影响类似：损伤面积随冲击能量的升高而增大，且吸湿率越高，增幅越大；对于第一层和第八层，吸湿率的升高对低能冲击的影响更为明显。

表4 不同冲击能量下吸湿率对冲击损伤面积的影响

对比温度对损伤面积的影响，可知高吸湿状态较高温状态对层合板冲击损伤的影响更大。以冲击能量80J为例，高温120℃时第五层损伤面积为248.7cm2，高湿1.4%时，损伤面积为535.9cm2。

4 结 论

1.利用ABAQUS有限元软件对HT3/5222复合材料层合板冲击过程进行了数值模拟，计算结果与文献结果吻合较好：冲击损伤形状呈纺锤形；中间层较冲击正面与冲击背面损伤更为严重。

2.温度及吸湿率对复合材料初始损伤冲击能量及失效冲击能量影响显著。干态，120℃的初始损伤冲击能量较常温下降了58%，失效冲击能量下降了31%；常温下，吸湿率1.4%下的初始损伤冲击能量较干态下降了61%，失效冲击能量下降了35%。

3.通过对不同温度、吸湿率下，不同冲击能量的损伤面积对比，得到：冲击损伤面积随着温度的升高而增大，且温度越高，增幅越大；温度的升高对低能冲击影响更为严重；吸湿率的影响与温度类似，但高吸湿较高温对冲击损伤的影响更大。

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