薄型斜纹铺层CFRP层合板低速冲击后压缩试验研究

摘要

碳纤维增强聚合物（CFRP）层合板在低速冲击下易产生目视不可见损伤（BVID），导致剩余压缩强度显著下降，冲击后压缩（CAI）试验是评估其损伤容限的关键方法，但传统试验装置易引发整体屈曲和边缘压溃，影响测试精度。

本文综述了改进型CAI试验装置的设计原理、试验方法，以及铺层顺序反转对薄型斜纹铺层CFRP层合板低速冲击响应和冲击后压缩性能的影响，分析了不同铺层结构层合板的损伤演化规律和失效模式，为CFRP层合板的损伤容限设计和试验方法优化提供参考。 

一、研究背景与意义

碳纤维增强聚合物（CFRP）层合板因高比强度、高比模量和设计灵活性，被广泛应用于航空航天、汽车等对重量敏感的结构领域。但该材料对低速冲击高度敏感，即使是轻微的低速冲击也会产生内部分层、纤维断裂、基体开裂等目视不可见损伤（BVID），这类损伤难以通过外观检测发现，却会导致层合板剩余压缩强度大幅降低，给复合材料结构的维护和损伤容限设计带来严峻挑战。冲击后压缩（CAI）试验是评估冲击后CFRP层合板剩余强度、验证其损伤容限标准的核心手段，然而现有CAI试验装置和标准存在诸多局限性。不同标准（如波音BSS 7260、空客AITM 1-0010）的试验夹具边界条件差异较大，且现有装置多针对较厚层合板设计，用于2-5mm薄型层合板测试时，极易出现整体屈曲、加载边缘压溃等非材料本身的失效模式，导致测试结果无法真实反映层合板的剩余压缩性能。同时，现有研究多聚焦于CFRP层合板剩余强度的预测与测量，对试验装置影响测试结果的研究较少，且尚未探讨对称铺层顺序反转这一简单的结构设计变化对层合板CAI响应的影响。基于此，该研究设计了一款适用于薄型CFRP层合板的改进型CAI试验装置，并以两种铺层顺序反转的对称斜纹铺层CFRP层合板为研究对象，开展低速冲击和CAI试验研究，填补了相关研究空白，为薄型CFRP层合板的试验方法优化和结构设计提供了重要的实验数据和理论支撑。

二、改进型CAI试验装置的设计与核心优势 

针对传统CAI试验装置用于薄型CFRP层合板测试时易出现整体屈曲和边缘压溃的问题，研究在波音BSS 7260标准夹具的基础上，设计了一款改进型CAI试验装置，兼顾了测试的稳定性、重复性和与标准的兼容性。 

2.1 装置设计原理

改进型装置保留了BSS 7260夹具的侧面导向设计，核心改进点是增加了两对防屈曲钢板，通过螺栓-螺母组件将试样的上下加载边缘夹紧（见图1），区别于桑切斯-塞斯装置的U型缺口板设计。冲击试验后，在试样距上下加载边缘25mm、距侧面边缘30mm处钻4个Φ12mm的通孔，采用M10×1.5的8.8级六角头螺栓配合垫圈和螺母，以50N·m的扭矩交叉拧紧，实现对试样边缘的牢固夹紧。防屈曲钢板的法兰处设计有11×16mm的椭圆形槽，可在装配时进行微调，保证夹紧面与加载压板平行。

图1 改进型装置

2.2 核心优势 

与传统CAI试验装置和现有改进方案相比，该装置具有以下显著优势： 

1. 有效抑制整体屈曲：通过夹紧试样上下边缘，缩短了试样的无支撑标距长度，大幅降低了压缩载荷下整体屈曲的风险，确保失效由冲击损伤区的面内压缩控制，而非结构失稳。 

2.避免边缘压溃失效：螺栓-钢板组合通过摩擦力和全厚度约束分担部分载荷，而非仅依靠螺栓承压，同时大垫圈式接触面积分散了压力，有效防止了加载边缘的压溃破坏，且螺栓孔未成为裂纹萌生的源头。 3.兼容标准试样尺寸：装置采用标准的CAI试样尺寸，保留了完整的自由测量区域，与标准夹具的自由区域尺寸一致，无需改变试样几何形状，测试结果更具可比性。

4.提升测试重复性：通过标定扭矩控制夹紧压力，减少了试验操作中的人为误差，且装置可实现试样的精准对中，降低了载荷偏心和夹具诱导弯曲的影响，保证了剩余强度和刚度测量的可重复性。 相较于其他改进方案，如添加竖向肋板、增大防屈曲支撑板面积等，该装置无需定制复杂的专用结构，加工和装配简便，更适合中小型薄型层合板试验研究，具有更强的工程实用性。 

三、试验材料与方法

3.1 试验材料 

研究采用手糊法制备两种对称斜纹铺层的CFRP矩形层合板试样，尺寸为150mm×100mm×4.52mm，基体为DERAKANE™470-30环氧乙烯基酯树脂，增强相为碳纤维，树脂体积分数约30%。两种铺层结构为铺层顺序反转的对称构型（见图2）：A型为[0/−45/45/90]s，外层为0°铺层；B型为[90/45/−45/0]s，外层为90°铺层。两种试样包含相同的铺层角度，仅顺序相反，其中一种的外层铺层对应另一种的内层铺层，用于孤立分析铺层取向顺序对损伤发展和冲击后压缩性能的影响。 试样经室温真空固化至完全聚合，严格控制纤维-树脂比以降低实验变异性，保证所有试样的厚度和纤维体积分数均匀一致。 

图2 两种铺层结构为铺层顺序反转的对称构型

3.2 试验流程与方法 

试验采用低速冲击（LVI）和冲击后压缩（CAI）相结合的方法，完整试验流程见图3，同时设置未冲击试样的准静态压缩试验作为基准，每个工况至少测试3个试样以保证统计有效性。

图3 试验流程

1. 低速冲击试验：采用实验室自制的仪器化落锤冲击试验台（见图4），冲击物为1.9kg的钢制半球形弹丸（头部直径16mm），通过调整落高控制冲击速度。试样被牢固夹紧在100mm×75mm的矩形支撑窗口上，采用橡胶尖端夹具防止过度拧紧造成局部损伤。弹丸冲击试样中心，通过仪器记录力-位移时程曲线，并转换为冲击能量，冲击后回收弹丸避免多次撞击。

图4 落锤冲击试验台

2. BVID阈值确定：冲击后静置24h，待基体松弛和弹性恢复完成后，用深度计测量试样的永久压痕深度，以此定义BVID阈值。通过增量法确定冲击速度：保持冲击物质量不变，以1m/s、3m/s、5m/s、6m/s的梯度增加冲击速度，将产生可重复稳定压痕且近距离目视仅能观察到轻微损伤的最低冲击条件定为BVID阈值。最终确定6m/s（32J）为BVID级冲击速度，此时A型试样永久压痕深度约0.8mm，B型约0.7mm。

3. 冲击后压缩试验：采用电液伺服万能试验机，按照BSS 7260标准的试样尺寸和操作方法开展CAI试验，位移控制速率为0.5mm/min，连续记录载荷-位移曲线。试验前对试样进行对中检查，若预加载时出现明显偏心、非对称接触或提前面外变形，则重新装夹，确保测试有效性。 

四、试验结果与分析

4.1 低速冲击响应特性

两种铺层结构的CFRP层合板在BVID级低速冲击下的力-位移曲线具有相似的变化趋势（见图5），初始阶段为线性弹性段，随后斜率逐渐变缓，进入第二线性段后振荡幅度显著增大，这一斜率变化约出现在6kN冲击载荷处，对应分层损伤的起始，此时试样刚度下降，突发的分层扩展导致动态响应的振荡幅度增加。整体而言，A型和B型试样的冲击响应高度相似，峰值冲击载荷和吸收能量基本一致，但存在两点关键差异：一是B型试样的冲击有效刚度略高，力-位移曲线的初始斜率更陡，原因是B型外层为90°铺层，0°纤维沿试样宽度方向排列，提升了冲击过程中的抗弯曲能力，而A型0°纤维沿长度方向排列；二是相同冲击能量下，B型试样的永久压痕深度更小（0.7mm vs A型0.8mm），且BVID级冲击下B型吸收的能量略高（32.5J vs A型31.7J），表明B型铺层具有稍高的抗冲击损伤能力，但更高的吸收能量也意味着其内部分层区域可能略大。

图5 BVID级低速冲击下的力-位移曲线

4.2 冲击后压缩性能 

改进型CAI试验装置有效抑制了所有试样的整体屈曲，无论是未冲击还是冲击损伤试样，其失效均由材料本身的损伤（纤维屈曲、分层扩展）控制，而非夹具诱导的失稳或边缘破坏，载荷-位移曲线呈现出“初始线性弹性-刚度逐渐损失-突发失效”的典型特征（见图6）。  

图6 载荷-位移曲线

1. 最大压缩载荷变化 

未冲击状态下，B型试样的平均最大压缩载荷比A型高约7%，表明[90/45/−45/0]s铺层在无损伤压缩下具有轻微的承载优势。BVID级冲击后，两种铺层的剩余压缩强度均显著下降，相较于各自的未冲击基准，峰值载荷均降低约22%，这一降幅与现有文献中CFRP层合板BVID级冲击后的强度损失规律一致，表明铺层顺序反转对BVID损伤导致的强度损失率无显著影响，两种铺层对冲击相关的强度衰减具有相同的敏感性。 

2.压缩刚度退化规律 

铺层顺序反转对冲击后的压缩刚度退化产生了显著影响：A型试样冲击后的平均压缩刚度下降约17%，而B型仅下降约6%，二者刚度退化差异显著。未冲击状态下，A型的初始刚度略低于B型，冲击后A型刚度进一步低于B型。 这一差异的核心原因在于铺层结构的载荷传递特性：A型的中间铺层为90°（垂直于加载方向），冲击造成的分层、基体裂纹等损伤使该横向中间子层的刚度大幅降低，在压缩载荷下易发生局部屈曲和软化，导致整体刚度显著下降；而B型的中面为0°铺层，外层为±45°铺层，冲击后仍能保持稳定的载荷传递架构，刚度损失较小，展现出更优异的冲击后刚度保持能力。

4.3 失效模式分析

通过对试样的失效形貌观察（见图7），发现铺层顺序反转显著影响了CFRP层合板在压缩载荷下的损伤分布和失效模式，且冲击损伤的存在改变了失效起始位置，具体表现为：

1. 未冲击试样：两种铺层均表现为以压缩为主的失效模式，存在垂直于加载方向的分层裂纹和全厚度压缩剪切裂纹，但表面损伤特征不同。A型试样的外层0°铺层主要发生沿纤维方向的分层和层间开裂，而背面90°外层铺层因凸面弯曲产生明显的屈曲带和严重纤维断裂；B型试样的外层90°铺层出现显著的局部屈曲和向外鼓包，层间分层程度较A型更轻，失效以外层90°铺层的开裂为主。 

2. 冲击损伤试样：所有冲击试样的失效均起始于冲击区域，而非夹具边缘或螺栓孔，证实了改进型装置的有效性。A型试样冲击后，外层0°铺层基本保持完整，但冲击凹坑周围出现大量沿试样长度方向的分层和基体裂纹，背面90°铺层发生严重的纤维断裂和大尺寸屈曲带形成，压缩失效主要由纤维屈曲主导；B型试样冲击后的分层主要沿90°纤维方向横向扩展，冲击凹坑附近的90°铺层出现屈曲带并向外开裂，最终导致下层0°纤维断裂，失效以外层90°铺层的局部屈曲和开裂为主。 无论是未冲击还是冲击损伤试样，最终均发生全厚度断裂，涉及纤维屈曲、分层扩展和基体开裂的复合失效模式，且螺栓孔周围仅出现轻微的承压痕迹，未引发裂纹萌生和扩展，表明装置的螺栓夹紧设计未引入新的失效机制。 

图7 失效形貌

五、研究结论与工程启示

5.1 核心研究结论 

该研究通过改进型CAI试验装置，系统研究了铺层顺序反转的薄型斜纹铺层CFRP层合板的低速冲击响应和冲击后压缩性能，得出以下关键结论：

1. 改进型CAI装置的有效性：该装置通过侧面导向+上下边缘螺栓夹紧的混合边界条件，成功抑制了薄型CFRP层合板在压缩试验中的整体屈曲和边缘压溃，确保测试结果反映材料的真实损伤响应，且装置兼容标准试样尺寸，加工装配简便，具有良好的工程实用性和测试重复性。

2. 铺层顺序对压缩性能的影响：对称铺层顺序反转对薄型CFRP层合板的压缩性能具有选择性影响：未冲击状态下，外层为90°的B型试样承载能力略高；BVID级冲击后，两种铺层的强度损失率均为22%，但A型刚度退化（17%）远高于B型（6%），B型铺层的冲击后刚度保持能力更优。 

3. 铺层顺序对失效模式的影响：A型[0/−45/45/90]s试样易发生沿加载方向的大幅分层和背面90°铺层的纤维断裂；B型[90/45/−45/0]s试样则表现为外层90°铺层的局部屈曲和横向分层，二者均为纤维屈曲、分层、基体开裂的复合失效，但损伤分布和演化路径存在显著差异。

4. BVID损伤的影响规律：BVID级低速冲击虽仅产生轻微的永久压痕，却导致两种铺层的剩余压缩强度大幅下降，且成为压缩失效的起始点，改变了层合板的损伤演化路径，证实了BVID损伤对CFRP层合板承载性能的显著危害。

5.2 工程启示

1. 试验方法优化：对于厚度2-5mm的薄型CFRP层合板，开展CAI测试时需重点解决整体屈曲和边缘压溃问题，该研究提出的螺栓夹紧式防屈曲装置为工程实践提供了简单可行的解决方案，可推广应用于不同铺层、不同损伤程度的薄型FRP层合板剩余强度测试。

2. 结构设计指导：在CFRP层合板的损伤容限设计中，可通过调整铺层顺序优化冲击后性能，对于对刚度保持能力有较高要求的结构，优先选择将0°铺层布置在中面、斜纹铺层布置在表层的构型（如B型[90/45/−45/0]s），以提升结构在低速冲击后的刚度稳定性。 

3. 损伤检测与维护：由于BVID损伤对CFRP层合板的剩余压缩性能影响显著，且难以通过外观检测发现，在航空航天等安全关键型结构的维护中，需采用无损检测技术（如超声、CT扫描）对可能受到低速冲击的区域进行定期检测，及时发现内部损伤，避免结构失效。 

六、研究展望

该研究虽实现了CAI试验装置的优化和铺层顺序影响的初步探究，但仍存在一定的局限性，未来可从以下方面开展进一步研究： 

1. 拓展试验变量，研究不同厚度、不同铺层角度、不同冲击能量下薄型CFRP层合板的CAI响应，建立更全面的性能数据库，为工程设计提供依据；

2. 结合数值模拟方法，建立考虑铺层顺序、冲击损伤的CAI性能预测模型，揭示薄型CFRP层合板的损伤演化机理，实现剩余强度的精准预测；

3. 基于改进型试验装置，开展标准化研究，推动该方法纳入相关行业标准，提升薄型CFRP层合板CAI测试的规范性和可比性； 

4. 研究新型防屈曲夹具和测试方法，进一步提升测试效率和精度，如开发无需钻孔的夹紧装置，减少试样的预损伤。 

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