第３１卷 第１期
２０１１年２月 航空材料学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ Ｖｏ１．３Ｉ，Ｎｏ．Ｉ
Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１ １
复合材料层板冲击损伤特性及冲击后压缩强度研究
林智育， 许希武， 朱伟壶
（南京航空航天大学航空宇航学院结构强度研究所飞行器结构力学与控制教育部重点实验室，南京２１００１６）
摘要：对两种材料体系（Ｔ３００／ＱＹ８９１１和＂１＂３００／５４０５）／铺层的复合材料层板进行三种支持条件（冲击点无支持、梁 凸缘或长桁凸缘支持和肋凸缘支持）、六种冲击能量等级的冲击损伤特性及冲击后压缩强度试验研究。讨论了冲
击能量、支持条件等与冲击损伤特性和剩余压缩强度的关系，研究结果表明，冲击表面凹坑深度和冲击损伤面积可
用于表征复合材料冲击损伤，而基体裂纹长度不可以用于表征冲击损伤。且随着冲击点背面支持刚度的增加，冲
击所造成的损伤随之减小。随着冲击能量的增加，冲击后压缩强度随之减小。在相同的冲击能量作用下，随着冲
击点背面支持刚度的增加，冲击后压缩强度也随之增加。
关键词：复合材料层板，冲击损伤，冲击损伤特性，剩余压缩强度
Ｄ０Ｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—５０５３．２０１１．１．０１４ 中图分类号：ＴＢ３３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－５０５３（２０１１）０１－００７３—０８
由于低速冲击损伤大大削弱一般复合材料层合
结构的承压能力，低速冲击后层合板的损伤特性以
及其压缩性能是复合材料结构损伤容限设计必须考
虑的严重情况之一，甚至可以用来对纤维增强树脂
复合材料韧性进行表征。由于低速冲击损伤压缩性
能与铺层材料、铺层顺序、厚度、试件的边界条件、支
持条件以及冲击物的特性等多种因素有关，因此复
合材料冲击损伤及其冲击后压缩强度（ＣＡＩ）的试验
研究一直是许多研究者关注的中心。
目前，复合材料层板ＣＡＩ的试验方法很多，迄
今为止，仍未形成统一的国际标准（如ＡＳＴＭ，ＩＳＯ
等）。目前常用的标准有ＮＡＳＡ¨ ，ＳＡＣＭＡ【２ ／Ｂｏｅ．
ｉｎｇ ，ＣＲＡＧ ，ＱＭＷ ，ＵＴＫ 等。损伤主要以落
锤低速冲击造成，在剩余强度试验时，避免结构的整
体失稳。
本工作参照ＮＡＳＡ标准和航空标准（ＨＢ
６７３９－－１９９３ ），选取两个结构部件上两种典型铺
层（Ａ、Ｃ）、两种材料体系（Ｔ３００／ＱＹ８９１１、Ｔ３００／
５４０５）、三种支持形式（冲击点四周悬空、有肋凸缘、
梁凸缘或长桁凸缘支持）、六种损伤能级共计２０组
８０件试验件进行冲击损伤特性及其压缩剩余强度
收稿日期；２０１０－０２．２０；修订Ｅｔ期：２０１０－０８．１８
基金项目：国家自然科学基金（１０６７２０７５）；南京航空航天大
学基本科研业务费专项科研项目资助，（ＮＳ２０１Ｏ０１ １）
作者简介：林智育（１９８Ｏ一），男，工学博士，讲师，主要从事
复合材料结构损伤容限／耐久性设计方面的研究工作，（Ｅ．
ｍａｉｌ）ｌｉｎｚｈｉｙｕ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ。 试验研究，讨论了冲击能量、支持条件等与冲击损伤
特性和冲击后剩余压缩强度的关系。
１ 层合板冲击损伤试验研究
１．１冲击试验装置
复合材料层合结构在制造和使用过程中，不可
避免地会受到损伤，尤其是低能量物体的冲击：包括
各种工具的掉落，起飞、着陆过程中从跑道卷起的石
子、轮胎碎片的撞击，空中飞行时冰雹的撞击等引起
的损伤。由于自由落体式冲击可以较好地再现上述
低能量冲击，且试验设备及操作相对简单，本试验采
用自由落体式冲击装置对复合材料层合板进行冲击
损伤预制。
冲击试验装置和试验件支持装置如图１所示。
参照ＨＢ ６７３９－－１９９３…碳纤维复合材料层合板冲击
后压缩试验方法，落锤的质量为５ｋｇ，具有一个直径
为１２．５ｍｍ的钢质半球形冲头，冲头轴线与板平面
垂直，通过调整落锤的下落高度来控制冲击能量和
速率。试件夹持在两钢板之间，冲击部分为一
１３０ｒａｍ×８０ｒａｍ的长方形区域，所有的试件均保证
不发生二次冲击。
１．２冲击损伤试验件
试验选用的两种材料体系为Ａ：Ｔ３００／ＱＹ８９１１
和Ｃ：Ｔ３００／５４０５，试件用材料的纤维体积含量约为
６０％。试件尺寸为２００ｍｍ×１４０ｒａｍ，两端加强片长
度为３０ｍｍ，铺层顺序分别为：［４５／－４５／０／－
４５／４５／ 第１期 复合材料层板冲击损伤特性及冲击后压缩强度研究 ７７
３ 冲击损伤特性分析
３．１ 冲击能量与表面凹坑深度的关系
图１３和图１４为在三种支持形式（冲击点四周
悬空、有肋凸缘、粱凸缘或长桁凸缘支持）下，在不
同能量等级冲击下，Ａ系列和Ｃ系列试验件前表面
凹坑深度（采用百分表测量）与冲击能量的关系。
从图中可以看出，随着冲击能量的增大，表面凹坑的
深度增大。在冲击点四周悬空支持条件下，在
０．７５Ｊ／层的能量等级作用下，某些试验件凹坑深度
已超过层板的厚度，此时层板已被穿透。在冲击点
背面有梁凸缘支持下，Ａ系列试验件表面凹坑深度
很小，且随能量增加很平缓。而对于冲击点背面有
长桁支持条件下，Ｃ系列前表面无目视可检冲击凹
坑损伤。对于冲击点背面有肋凸缘支持条件下，Ａ
系列和Ｃ系列试验件表面凹坑深度均小于冲击点
四周悬空支持条件下。
ｇ 皇
ｑ ．岂 ０
图１３ Ａ系列冲击能量与凹坑深度的关系
Ｆｉｇ．１ ３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｔｈ ｄｅｎｔ
ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ａ ｓｅｒｉｅｓ ｓａｍｐｌｅｓ
ｇ ￡ 专 口 ．岂 口
Ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ／Ｊ
图ｌ４ ｃ系列冲击能量与凹坑深度的关系
Ｆｉｇ．１ ４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｔｈ ｄｅｎｔ
ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｃ ｓｅｒｉｅｓ ｓａｍｐｌｅｓ
３．２冲击能量与基体裂纹长度的关系
图ｌ５和图１６为在三种支持形式（冲击点四周
悬空、有肋凸缘、粱凸缘或长桁凸缘支持）下，在不 同能量等级冲击下，Ａ系列和Ｃ系列试验件后表面
基体裂纹长度（采用游标卡尺测量）与冲击能量的
关系。随着冲击能量的增大，背面基体裂纹的长度
增大。但对于冲击点四周悬空支持条件下，当冲击
能量超过０．６５Ｊ／层时，背面基体裂纹长度的增长已
很平缓，这是因为背面基体裂纹已经到达试件的冲
击边界。对于冲击点背面有梁凸缘支持情况下，Ａ
系列试验件背面基体裂纹长度增长很平缓，与该条
件下前表面凹坑深度的增长规律相似。对于冲击点
背面有长桁支持条件下，Ｃ系列试验件冲击背面无
目视可检的基体裂纹开裂损伤。对于冲击点背面有
肋凸缘支持条件下，Ａ系列和Ｃ系列试验件冲击背
面基体裂纹长度均小于冲击点四周悬空支持条件
下。
图１５ Ａ系列冲击能量与基体裂纹长度的关系
Ｆｉｇ．１ ５ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｔｈ ｒｅｓｉｎ ｃｒａｃｋ
ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ Ａ ｓｅｒｉｅｓ ｓａｍｐｌｅｓ
图ｌ６ ｃ系列冲击能量与基体裂纹长度的关系
Ｆｉｇ．１ ６ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｔｈ ｒｅｓｉｎ ｃｒａｃｋ
ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｃ ｓｅｒｉｅｓ ｓａｍｐｌｅｓ
３．３冲击能量与损伤面积的关系
图１７和图１８为在三种支持形式（冲击点四周
悬空、有肋凸缘、粱凸缘或长桁凸缘支持）下，在不
同能量等级冲击下，Ａ系列和Ｃ系列试验件损伤面
积（采用Ｃ扫描测量）随冲击能量改变的变化规律，
可见随着冲击能量的增加，层合板的损伤投影面积
扩大。在冲击点四周悬空支持条件下，Ａ系列试验 如加∞∞ ∞ ∞如 如加三『＿
加ｍ∞如∞ ∞∞８０ 航空材料学报 第３ｌ卷
较大的影响。
６ 结论
本研究对两种典型铺层（Ａ、ｃ）、两种材料体系
（Ｔ３００／ＱＹ８９１１、Ｔ３００／５４０５）、三种支持形式（冲击
点四周悬空、有肋凸缘、粱凸缘或长桁凸缘支持）、
六种损伤能级共计２０组８０件试验件进行冲击损伤
特性及其压缩剩余强度试验研究，研究结果如下：
（１）随着冲击损伤能级能量的增加，试件表面
凹坑深度、损伤投影面积均线性增加，但冲击背面基
体裂纹达到一定程度后会趋于饱和。可以认为，表
面凹坑深度、损伤投影面积可以用于表征冲击损伤，
而基体裂纹长度不可以用于表征冲击损伤。
（２）在相同的冲击损伤能级能量作用下，不同的
支持条件，对损伤特性（表面凹坑深度、基体裂纹长
度、损伤投影面积）有着很大的影响。随着冲击点背
面支持刚度的增加，冲击所造成的损伤随之减小。
（３）复合材料层板冲击后压缩破坏同时包含了
分层扩展、子层屈曲等损伤扩展现象，但最终的失效
形式均为压缩强度破坏。
（４）随着冲击损伤能级能量的增加，试件的剩
余压缩强度随之下降。对于冲击点四周悬空情况
下，在０．４５Ｊ／层损伤能级能量作用下，Ａ系列和ｃ
系列试验件的强度降超过了６０％，已经严重影响其
继续使用。当冲击点背面有肋凸缘、梁凸缘（长桁 凸缘）支持时，下降程度有所降低。对于Ｃ系列试
验件，在有长桁凸缘支持条件下，在不同损伤能级能
量作用下，其最大强度降达到３４％，亦已对层板的
强度产生比较大的影响。
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ＬＩＮ Ｚｈｉ－ｙｕ，ＸＵ Ｘｉ－ＷＲ，ＺＨＵ Ｗｅｉ－ｙａｏ
（ＭＯＥ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ａｉｒｃｒａｆｔ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｅｒｏ・
ｓｐａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
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ｐａｃｔ ｄａｍａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｎｔ ｄｅｐｔｈ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ａｒｅａ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｄａｍａｇｅ；ｔｈｅ ｒｅｓｉｎ
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ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｉｍｐａｃｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｆｔｅｒ ｉｍｐａｃｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｈｉｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｄａｍａｇｅ ｅｎｅｒｇｙ．Ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ
ｂａｃｋｕｐ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｆｔｅｒ ｉｍｐａｃｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｍｉｎａｔｅｓ；ｉｍｐａｃｔ ｄａｍａｇｅ；ｉｍｐａｃｔ ｄａｍａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔ
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