薄層復(fù)合材料雖能進一步提升復(fù)合材料的設(shè)計空間，但其沖擊損傷特性尚不明確。針對薄層復(fù)合材料的沖擊損傷行為已有一定的文獻報道。然而與準靜態(tài)拉壓力學(xué)性能相比，薄層復(fù)合材料的沖擊損傷行為更為復(fù)雜，導(dǎo)致絲束減薄對抗沖擊性能的影響規(guī)律不明確?；谏鲜鰞?nèi)容，太原理工大學(xué)的曹勇及西北工業(yè)大學(xué)的張超在《航空學(xué)報》發(fā)表了題為“薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為研究進展”的文章，作者針對薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為的研究進展進行了綜述，梳理了現(xiàn)有文獻對薄層復(fù)合材料沖擊失效模式、損傷分布規(guī)律等行為的認識，總結(jié)了薄層復(fù)合材料抗沖擊設(shè)計中應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題，力求為深入理解薄層復(fù)合材料損傷機制和確定可靠的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計準則提供參考。

2.1薄層復(fù)合材料的分類

文中首先按照展寬減薄絲束采用的不同的工藝對薄層復(fù)合材料進行了分類：

（1）薄層單向帶復(fù)合材料。與傳統(tǒng)單向帶復(fù)合材料形式類似，單層厚度顯著降低。由于在厚度方向可鋪設(shè)層數(shù)更多，進而可充分地發(fā)揮復(fù)合材料的可設(shè)計性。

（2）經(jīng)編多軸向（NFC）織物。也稱為非/無屈曲織物，本質(zhì)上為一種針織物，其將多個單一方向的纖維束沿厚度方向針織在一起，使用時直接整體鋪放，具有對增強體力學(xué)性能的影響較小且使用成本低的優(yōu)點。

（3）展寬機織復(fù)合材料?？蓽p少機織纖維束的波動和富樹脂區(qū)，有利于成型過程中纖維束的浸潤，提高纖維體積含量。但因減薄后的絲束寬度顯著增加，限制了其在復(fù)雜紡織物形式上的應(yīng)用，因此當(dāng)前市面上的薄層紡織物增強體主要為NFC織物和機織物這兩類材料。其織物特征如圖1所示：

圖1 纖維絲素展寬示意圖及典型薄層紡織結(jié)構(gòu)

2.2薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為的試驗表征

表１總結(jié)了薄層復(fù)合材料低速沖擊損傷行為試驗研究進展及其主要研究結(jié)論，文中梳理了現(xiàn)有文獻對薄層復(fù)合材料沖擊失效模式、損傷分布規(guī)律等行為的認識：

表１ 薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為試驗研究匯總

（1）低速沖擊失效特征。近些年對薄層復(fù)合材料低速沖擊損傷行為的研究主要集中在兩個方面：①沖擊損傷行為中的層厚效應(yīng)；②基于薄絲束的仿生螺旋復(fù)合材料損傷特征。

對于薄層單向帶復(fù)合材料沖擊損傷行為，降低單層厚度會出現(xiàn)基體微裂紋和分層滯后的現(xiàn)象，薄層復(fù)合材料沿厚度方向的損傷相比傳統(tǒng)復(fù)合材料更多，但傳統(tǒng)復(fù)合材料面內(nèi)分層擴展面積更廣，這是因為鋪層減薄改變了傳統(tǒng)理解的損傷演變過程，使薄層復(fù)合材料出現(xiàn)了一種類似柔性約束的復(fù)合材料板損傷特征：損傷傾向于發(fā)生于板的表層背面，并向內(nèi)部擴展。

薄層復(fù)合材料可設(shè)計性高的優(yōu)勢讓仿生鋪層復(fù)合材料的制備成為可能，如仿生螺旋鋪層復(fù)合材料層合板。通過一定的設(shè)計可減少生螺旋鋪層復(fù)合材料的分層、改善復(fù)合材料的沖擊承載能力，但因需鋪設(shè)較多的層，對制造工藝要求較高，因此需要考慮制造缺陷的影響，且在復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的適用性方面還需探討。仿生螺旋鋪層復(fù)合材料截面及沖擊失效特征如圖2所示：

圖2 仿生螺旋鋪層復(fù)合材料截面及沖擊失效特征

相比于薄層單向帶類復(fù)合材料，薄層機織復(fù)合材料的幾何構(gòu)型更為復(fù)雜、沖擊失效行為的影響因素更多。研究表明，低層厚機織復(fù)合材料的纖維束會出現(xiàn)過早斷裂的現(xiàn)象，這可能是由于展寬機織復(fù)合材料的纖維束波動在局部變化梯度大，導(dǎo)致的應(yīng)力集中更為嚴重。因此還需要討論關(guān)于絲束減薄對展寬機織復(fù)合材料沖擊阻抗的提升作用以及各類損傷的特征、出現(xiàn)的順序、相互之間的關(guān)系及對分層損傷的影響規(guī)律。低速沖擊試樣損傷特征如圖3所示：

圖3 低速沖擊試樣損傷特征μCT截面

（2）高速沖擊失效特征。高速沖擊載荷下仿生螺旋復(fù)合材料的損傷也呈現(xiàn)出一種典型的沿厚度方向螺旋上升的演變規(guī)律，并在遠場出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，而準靜態(tài)鋪層和正交鋪層復(fù)合材料的損傷較為集中。這主要是因為薄層復(fù)合材料的多界面效應(yīng)，即沖擊載荷下多層界面對應(yīng)力波的多次反射和透射作用使拉伸波在層間分層中被吸收，有助于更多地消耗彈體動能，因此采用薄層設(shè)計的復(fù)合材料，無論是在局部破壞還是整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面都有利于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)抗高速沖擊性能的提升。

圖4 航空發(fā)動機復(fù)合材料機匣高速沖擊旋轉(zhuǎn)包容試驗

（3）層間斷裂韌性。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊后的分層損傷面積是衡量復(fù)合材料沖擊損傷阻抗的直接指標(biāo)，復(fù)合材料層間斷裂韌性則是分析層間裂紋起始和擴展的主要性能參數(shù)。

對于薄層單向帶類復(fù)合材料，絲束減薄對沖擊后的分層損傷面積沒有顯著影響，層厚減薄至0.1 mm時才會明顯地抑制復(fù)合材料分層。對于展寬機織復(fù)合材料的層間性能，在纖維斷裂前，薄層復(fù)合材料的分層面積小于標(biāo)準層厚復(fù)合材料。研究還表明，機織復(fù)合材料的層間斷裂韌性測試結(jié)果比單向帶復(fù)合材料分散性更大。

復(fù)合材料基體韌性、鋪層方向和紡織方式都會影響復(fù)合材料層間斷裂性能，相比傳統(tǒng)復(fù)合材料，絲束厚度減薄也是構(gòu)成了影響層間斷裂性能的一個因素，后續(xù)在開展沖擊損傷行 為 研究時，可進一步開展薄層復(fù)合材料層間特性方面的研究工作，以加深對沖擊分層的認識，并為分析模型提供必要的輸入?yún)?shù)。

復(fù)合材料損傷起始多發(fā)生在材料內(nèi)部，且沖擊過程是一個復(fù)雜的瞬態(tài)過程，如要通過試驗手段表征薄層復(fù)合材料沖擊失效的起始及演化過程，研究人員需要借助C掃描進行一系列工作。盡管這些研究手段可得出沖擊損傷的起始與演化情況，但不足以揭示薄層復(fù)合材料的沖擊失效規(guī)律，還應(yīng)進一步理清薄層復(fù)合材料中纖維斷裂、纖維－基體界面的分離及基體剪切形變的相互競爭機制。

2.3薄層復(fù)合材料的沖擊仿真方法

在試驗研究的基礎(chǔ)上開展解析或數(shù)值分析有助于深入認識復(fù)合材料在各種復(fù)雜載荷下局部變形、損傷演化和織物幾何特性對力學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示變形和損傷失效機制?，F(xiàn)有的沖擊仿真模型主要針對薄層單向帶復(fù)合材料的低速沖擊分析，計算模型主要為宏觀尺度有限元模型，在高速沖擊仿真中，少有考慮應(yīng)變率效應(yīng)的。表2總結(jié)了薄層復(fù)合材料沖擊仿真的方法研究：

表2 薄層復(fù)合材料沖擊仿真方法研究的匯總

（1）宏觀均勻化模型。宏觀均勻化模型可由各個復(fù)合材料單層和界面構(gòu)成，也就是厚度方向每單層為一層有限單元，每層單元之間引入界面單元，可稱為“單層＋界面”法，如圖5(a)所示。這種方法中單層可離散為實體單元或厚殼元，界面層在幾何上可以是有限厚度或零厚度。這樣的一個三維模型構(gòu)建策略可有效表征復(fù)合材料厚度方向?qū)觾?nèi)和層間的力學(xué)行為，并且擁有很高的計算精度。

宏觀力學(xué)方法以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合彈塑性理論、連續(xù)損傷力學(xué)描述材料整體的力學(xué)響應(yīng)?；诩氂^力學(xué)的動態(tài)本構(gòu)符合組分材料的力學(xué)特征，物理意義清晰；宏觀方法采用宏觀應(yīng)力、應(yīng)變描述材料變形，形式直觀。兩者可相互借鑒。后續(xù)薄層復(fù)合材料宏觀沖擊分析模型中還應(yīng)考慮到復(fù)合材料的應(yīng)變率效應(yīng)。

圖5 復(fù)合材料宏觀尺度沖擊仿真有限元模型的典型構(gòu)建策略

（2）多尺度模型。復(fù)合材料典型的多尺度沖擊分析流程如圖6所示，可包括微觀力學(xué)模型、細觀尺度模型和宏觀尺度模型。

對于單向帶類復(fù)合材料，可建立纖維在基體中規(guī)律或隨機分布的微觀力學(xué)模型（如圖6所示），開展剛度、強度及斷裂方面的力學(xué)性能預(yù)測。

NFC復(fù)合材料和展寬機織復(fù)合材料都屬于紡織物復(fù)合材料，如圖6所示，這類材料在多尺度分析過程中纖維束視為單向復(fù)合材料，可通過微觀尺度模型計算其力學(xué)性能參數(shù)。在細觀尺度構(gòu)建包括針織或機織結(jié)構(gòu)的細觀模型，開展多尺度分析計算可得到織物結(jié)構(gòu)對沖擊損傷行為的影響規(guī)律。

對于紡織結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的展寬機織復(fù)合材料，宏觀尺度的單層均勻化仿真不能有效反映紡織結(jié)構(gòu)、幾何尺寸和鋪層方向等對沖擊損傷機制的影響，而采用細觀RVE模型進行沖擊仿真又存在計算效率問題。因此發(fā)展精確而又高效的多尺度沖擊仿真方法也是展寬機織復(fù)合材料需研究的一個重要問題。

圖6 復(fù)合材料多尺度沖擊仿真框架—以機織復(fù)合材料為例

從薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為角度總結(jié)了現(xiàn)有研究在沖擊失效特征和分析模型方面的研究進展，在此基礎(chǔ)上給出了薄層復(fù)合材料沖擊損傷行為研究方面尚待解決的問題，總結(jié)如下：

（1）薄層復(fù)合材料主要包含薄層單向帶復(fù)合材料、薄層NFC復(fù)合材料和展寬機織復(fù)合材料３類。薄層NFC復(fù)合材料力學(xué)特征與單向帶復(fù)合材料的力學(xué)特征接近；展寬機織復(fù)合材料具有傳統(tǒng)機織復(fù)合材料的材料特征，但局部彎曲特征不同，纖維束彎曲交織的頻率更低。

（2）在低速沖擊損傷行為方面，薄層復(fù)合材料表現(xiàn)出了與傳統(tǒng)復(fù)合材料不同的損傷行為，目視勉強可見損傷在薄層單向帶復(fù)合材料中更容易出現(xiàn)，使按損傷阻抗設(shè)計此類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有了一定的可行性；復(fù)合材料尺寸效應(yīng)研究多關(guān)注面內(nèi)尺寸和層板整體厚度的影響，從單層厚度角度開展研究有助于加深對復(fù)合材料力學(xué)性能的認識。

（3）在高速沖擊損傷行為方面，高速沖擊載荷下具有仿生螺旋鋪層的薄層復(fù)合材料表現(xiàn)出了更好的吸能和承載特性。薄層復(fù)合材料具有較高的可設(shè)計性，但現(xiàn)有按低速沖擊損傷容限方法設(shè)計復(fù)合材料結(jié)構(gòu)壽命的過程在高速沖擊載荷下并不完全適用，因此研究薄層復(fù)合材料高速沖擊下的力學(xué)行為、總結(jié)高速沖擊載荷下的安全設(shè)計準則與方法是必要的。

（4）在層間斷裂韌性方面，現(xiàn)有研究指出絲束厚度會影響材料的層間斷裂性能，特別是影響層間纖維橋接和裂紋擴展過程；此外復(fù)合材料的層間斷裂韌性還會受加載速率的影響，關(guān)于薄層復(fù)合材料中層間性能的應(yīng)變率相關(guān)性還應(yīng)開展具體的研究工作。因此理清薄層復(fù)合材料微細觀斷裂損傷失效機制及其關(guān)鍵影響因素也是值得研究的科學(xué)問題。

（5）對于宏觀尺度沖擊損傷模擬，若薄層復(fù)合材料的單層力學(xué)性能得到準確的表征，可采用已有的宏觀尺度仿真方法分析薄層復(fù)合材料。在模型構(gòu)建方法方面，“單層＋界面”法是一個好的模型構(gòu)建方法；在鋪層較多的情況下，“子層＋界面”法可提高計算精度；現(xiàn)有文獻沖擊分析模型中未充分考慮薄層復(fù)合材料應(yīng)變率效應(yīng)，薄層復(fù)合材料應(yīng)變率效應(yīng)的表征與率相關(guān)本構(gòu)模型的構(gòu)建也是值得關(guān)注的研究點。

（6）對于細觀尺度沖擊仿真分析，薄層NFC復(fù)合材料可不考慮厚度方向捆綁紗線進行細觀模型構(gòu)建。展寬機織復(fù)合材料的織物結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，多尺度沖擊仿真分析中有必要考慮細觀尺度織物結(jié)構(gòu)的影響，然而精確描述機織物細觀結(jié)構(gòu)的RVE模型計算量較高，要使用此細觀模型研究宏觀力學(xué)問題，需探索建立準確高效的多尺度沖擊仿真方法。