薄層復合材料沖擊損傷行為研究進展

曹勇，張超

1. 太原理工大學 機械與運載工程學院 應(yīng)用力學研究所，太原 030024 . 材料強度與結(jié)構(gòu)沖擊山西省重點實驗室，太原 030024 3. 西北工業(yè)大學 航空學院，西安 710072 4. 西北工業(yè)大學 民航學院，太倉 215400 5. 陜西省沖擊動力學及工程應(yīng)用重點實驗室，西安 710072

連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料作為一類結(jié)構(gòu)復合材料，具有比強度、比剛度高等優(yōu)異性能，在航空、航天、汽車、造船、體育等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在航空工業(yè)中，復合材料的應(yīng)用可使結(jié)構(gòu)減重高達30%，大、中型民用客機已實現(xiàn)了其在尾翼級主承力部件的批量應(yīng)用，并在B787、A350和A400M等型號中將其應(yīng)用到機翼盒段等主承力結(jié)構(gòu)中。盡管復合材料的應(yīng)用持續(xù)增加，但其易分層和易產(chǎn)生微裂紋的缺點限制了應(yīng)用范圍，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了額外的挑戰(zhàn)。為提高纖維增強復合材料的應(yīng)用潛力，研究人員們在不改變材料體系的情況下，努力探索改善力學性能的新工藝和新方法。

21世紀初興起的纖維束展寬減薄工藝(Spread-Tow Thin-Ply Technology，如圖1(a)所示)就屬于工藝上的一大突破。纖維展寬減薄工藝一般是針對大絲束纖維束的，通過展寬工藝使絲束厚度從傳統(tǒng)的0.125～0.250 mm降至0.02～0.10 mm (絲束寬度一般會增加到7 mm以上)，進而大幅提升厚度方向的鋪層數(shù)量，提高復合材料可設(shè)計性和各方向的受力均衡性；同時，采用纖維束展寬減薄工藝還可降低復合材料成形過程中出現(xiàn)纖維屈曲及鋪層角度錯位的可能性(如圖1(b)所示，進一步改善復合材料結(jié)構(gòu)的性能)。由于其顯著的優(yōu)點，此類扁平絲束的增強體復合材料在諸多新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中得到了應(yīng)用，如火星探測用直升機旋翼、輕型飛機的機翼等。

圖1 纖維束展寬示意及相應(yīng)機織物對比[3]Fig.1 Schematic of fiber bundle spread-tow and corresponding woven fabric[3]

復合材料結(jié)構(gòu)在服役過程中不可避免地會受到各類沖擊載荷作用，包括工具墜落、維護工具設(shè)備碰撞等低速沖擊載荷以及離散源撞擊飛行器、裝甲防護等高速沖擊場景。然而，復合材料的各向異性特征和層間性能差異性導致其易發(fā)生分層損傷，進而降低結(jié)構(gòu)的承載能力?？紤]到低速沖擊中損傷的目視不可見特性及其較高的發(fā)生概率，基于低速沖擊后的剩余壓縮強度進行結(jié)構(gòu)壽命設(shè)計已成為復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容之一，即傳統(tǒng)理解的復合材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計。

薄層復合材料雖能進一步提升復合材料的設(shè)計空間，但其沖擊損傷特性尚不明確。絲束減薄對復合材料沖擊損傷行為的影響體現(xiàn)在3個方面：① 扁平絲束的抗彎能力小于圓形絲束，會使局部更易發(fā)生變形；② 薄層復合材料中的就位效應(yīng)有利于增強復合材料抵抗分層的能力，但可能會導致更顯著的應(yīng)力集中效應(yīng)；③ 層間界面數(shù)量增加使復合材料存在分層數(shù)量上的風險，但也相當于各層增加了更多的柔性約束，使復合材料層合板在整體厚度方向更易變形協(xié)調(diào)。具體的失效行為特征、絲束厚度的影響閾值及其內(nèi)在的機制有待開展系統(tǒng)的理論、試驗和仿真分析研究。

針對薄層復合材料的力學性能特性，國內(nèi)外研究團隊已開展了一定的研究，包括英國布里斯托大學、空客(Airbus)資助的葡萄牙波爾圖大學、美國戴頓大學和瑞典查爾姆斯理工大學聯(lián)合研究團隊、清華大學、北京航空航天大學、中南大學、東華大學及國防科技大學等。研究人員指出了薄層復合材料具有減緩基體開裂、抗自由邊分層、就位效應(yīng)及特殊的延展性等力學特性，相關(guān)文獻總結(jié)和討論可參考Galos和Arteiro等撰寫的綜述論文。

針對薄層復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)拉壓力學性能相比，薄層復合材料的沖擊損傷行為更為復雜，導致絲束減薄對抗沖擊性能的影響規(guī)律不明確。因此本文針對薄層復合材料沖擊損傷行為的研究進展進行綜述，梳理現(xiàn)有文獻對薄層復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)薄層復合材料抗沖擊設(shè)計中應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題，為深入理解薄層復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。

1 薄層復合材料的分類

展寬減薄絲束采用不同的工藝可制成薄層單向帶復合材料(UD-Tap Composites)、薄層經(jīng)編多軸向復合材料(Thin-Ply Non-Crimp Fabric Composite，NCF Composites)和展寬機織復合材料(Spread-Tow Woven Composites)，統(tǒng)稱為薄層復合材料。后兩者屬于紡織物復合材料類別，其織物特征如圖2所示。采用紡織物增強體可降低復合材料的鋪放成本，改善厚度方向性能。

圖2 典型薄層紡織物結(jié)構(gòu)Fig.2 Fabric structure of typical thin layer textile

薄層單向帶復合材料與傳統(tǒng)單向帶復合材料形式類似，只是單層厚度顯著降低。減薄的絲束可根據(jù)工程需求鋪設(shè)為多向復合材料層合板。由于在厚度方向可鋪設(shè)層數(shù)更多，進而可充分地發(fā)揮復合材料的可設(shè)計性。經(jīng)編多軸向(NCF)織物也稱為非/無屈曲織物，其本質(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。NCF織物根據(jù)制造工藝可分為間隔型和連續(xù)型，薄層NCF復合材料因其展寬結(jié)構(gòu)主要為連續(xù)型NCF復合材料。由于NCF紡織工藝對增強體力學性能的影響較小且使用成本低，歐洲FALCOM項目(Failure, Performance and Processing Prediction for Enhanced Design with Non-Crimp Composite)、未來復合材料研究中心的核心項目“Design Simulation Tools and Process Improvements for NCF Preforming”等研發(fā)計劃在NCF復合材料力學特征、預(yù)制件的設(shè)計模擬和工藝改進等方面開展了系統(tǒng)的研究工作。NCF的紡織工藝避免了纖維束纏繞引起的波動，因此NCF復合材料與單向帶復合材料具有相近的力學性能特征，本文將二者歸為一類進行討論。

機織物增強體工藝成熟、織物結(jié)構(gòu)簡單，是目前工藝成本較低的紡織物。通過對機織物的絲束進行展寬減薄形成展寬機織復合材料(如圖2(b)所示)可減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。因減薄后的絲束寬度顯著增加，限制了其在復雜紡織物形式上的應(yīng)用，因此當前市面上的薄層紡織物增強體主要為NCF織物和機織物這兩類材料。

單層厚度減薄是薄層復合材料最主要的特征，其對復合材料力學性能的影響是目前研究的焦點之一。借鑒復合材料尺寸效應(yīng)的概念，單層厚度變化對力學性能的影響可稱為層厚效應(yīng)(Ply thickness Effect或Ply Thickness Scaling Effect)。

2 薄層復合材料沖擊損傷行為的試驗表征

美國戴頓大學研究院和日本福井工業(yè)技術(shù)中心的Sihn等于2006年率先系統(tǒng)地開展了薄層復合材料沖擊損傷行為的試驗研究。隨著薄層復合材料制備工藝的突破和工業(yè)化生產(chǎn)，自2016年起相關(guān)研究工作迅速增長。表1總結(jié)了薄層復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。準靜態(tài)壓痕(QSI)作為一種典型的損傷阻抗測試方法也列入表1中，以更全面地討論分析薄層復合材料的抗沖擊性能。為表征單層厚度對復合材料抗沖擊性能及失效模式的影響，研究人員通常會選擇兩種以上不同層厚的試樣進行對比研究，對照組采用相同的環(huán)氧樹脂基體、成型工藝和整體厚度，或使用多種樹脂進行驗證；單層厚度不同會導致相同整體厚度的試樣具有不同的鋪層數(shù)量，因此在鋪層設(shè)計方面，一般通過確保相同的代表性鋪層、使用循環(huán)鋪放的方式制得試樣，如以[45/0/-45/90]的順序進行循環(huán)鋪設(shè)?；诖耍杀ＷC試驗變量的唯一性，排除鋪層和基體類型對失效模式的影響。

從表1的試驗研究中可看出無論是低速沖擊還是高速沖擊，薄層復合材料結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出了不同于傳統(tǒng)復合材料的力學行為特征。

表1 薄層復合材料沖擊損傷行為試驗研究匯總[7，10，22-37]Table 1 Summary of experimental study on impact damage behavior of thin-ply composites[7，10，22-37]

2.1 低速沖擊失效特征

薄層復合材料低速沖擊損傷行為的研究主要包含兩個方面：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合材料損傷特征。近3年研究人員開展了特殊的仿生鋪層單向帶復合材料、NCF和機織復合材料沖擊損傷行為方面的研究工作。

對于薄層單向帶復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。Sihn等針對標準層厚(0.125～0.250 mm)和薄層復合材料研究了低速沖擊力學特征，在未使用特殊樹脂和層間增韌情況下，薄層復合材料表現(xiàn)出了微裂紋和分層起始滯后的現(xiàn)象，但兩類復合材料沖擊后分層面積的差別不明顯，這可能與試驗采用的沖擊能量有關(guān)。Yokozeki等在低速沖擊試驗中也觀察到薄層復合材料和標準層厚復合材料分層面積近似的現(xiàn)象，但形貌有所不同，并推測薄層復合材料具有抑制分層增長的作用；然而試驗并沒有嚴格表征鋪層厚度對復合材料沖擊損傷阻抗的影響，只選擇一種沖擊能量不足以作為對照，且只對最終失效面積進行了對比分析，不能有效反映失效行為的差異性。隨后，Yokozeki等從厚度方向的加載試驗中觀察到了薄層單向帶復合材料和標準層復合材料明顯不同的損傷累積過程，后者低速沖擊損傷過程是按“基體開裂-分層-纖維斷裂”的順序出現(xiàn)的，而前者的背面先出現(xiàn)目視可見的基體開裂，接著表層纖維斷裂后才出現(xiàn)大面積基體開裂和分層。為觀測損傷順序，Yokozeki等采用了系列化的加載位移，并檢測了損傷斷面，這也是試驗表征薄層復合材料損傷機制的可借鑒方案。Amacher等在標準層厚、薄層和超薄層復合材料的低速沖擊試驗中觀察到標準層厚復合材料表現(xiàn)出以分層為主導的失效模式，在外表面沒有可見的纖維斷裂和基體開裂；薄層復合材料是分層、纖維斷裂混合的失效模式，且分層面積最??；超薄層復合材料為明顯的跨層斷裂；試驗中加載能量偏大，沒有構(gòu)成系列化能量試驗矩陣，只能反映單層厚度對大能量沖擊損傷行為的影響。Saito等針對標準層厚和超薄層材料開展了小能量載荷下的低速沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)超薄層復合材料具有更少的橫向裂紋，盡管分層面積增加了，但分層只集中于對稱層附近。Cugnoni等對比了多種基體和纖維類別的薄層復合材料單層厚度效應(yīng)特征，指出減小層厚，橫向裂紋減少，分層區(qū)域也減小，但出現(xiàn)了更多的分層界面。Cugnoni等的研究工作實際上排除了纖維和基體類型對試驗結(jié)論的影響，即薄層復合材料沖擊損傷的單層厚度效應(yīng)類似于復合材料的“自由邊效應(yīng)”，只受幾何因素的影響，是纖維增強疊層類復合材料的一種內(nèi)在特性。García-Rodríguez等系統(tǒng)研究了薄層和標準鋪層復合材料在準靜態(tài)、10 J和14 J 3種面外載荷下的層厚效應(yīng)特征，典型形貌結(jié)果如圖3所示；在相同的準靜態(tài)載荷下(如圖3中I所示)，薄層復合材料背面表層附近出現(xiàn)了明顯分層、基體開裂和纖維斷裂，已達到目視勉強可見的程度，而標準層厚復合材料的表層無明顯損傷，且在內(nèi)部出現(xiàn)了多處基體開裂和分層；在10 J的沖擊載荷下(如圖3中II所示)，薄層復合材料背面表層損傷更為顯著，發(fā)生了基體開裂和纖維斷裂；在14 J的沖擊載荷下(如圖3中III所示)，兩類板都出現(xiàn)了明顯的背面損傷，薄層復合材料沿厚度方向的損傷相比傳統(tǒng)復合材料更多，但傳統(tǒng)復合材料面內(nèi)分層擴展面積更廣。

圖3 低速沖擊試樣損傷特征μCT截面[32]Fig.3 μCT cross-sections of low speed impacted specimens[32]

García-Rodríguez等的研究表明降低層厚具有一定的減緩基體開裂作用，可抑制分層的起始和擴展過程，但纖維會過早斷裂。進一步，García-Rodríguez等研究了混雜鋪層薄層復合材料的低速沖擊損傷行為，發(fā)現(xiàn)在3種低沖擊速度下材料的沖擊損傷行為均與加載速率有一定相關(guān)性，但該研究只在低速沖擊試驗中觀測到了應(yīng)變率敏感性，其具體的應(yīng)變率敏感性范圍還應(yīng)進一步測定。此外，薄層復合材料可設(shè)計性高的優(yōu)勢讓仿生鋪層復合材料的制備成為可能，如仿生螺旋鋪層復合材料層合板(Bio-Inspired Helicoidal Laminates)，其設(shè)計靈感來自于螳螂蝦的螯。螳螂蝦的鰲中最內(nèi)一層為高度有序旋轉(zhuǎn)的甲殼素纖維分散在礦物質(zhì)中，在擊打獵物過程中有一定吸能作用。Mencattelli和Pinho采用單層厚度為0.02 mm的單向帶設(shè)計了仿生螺旋復合材料(如圖4(a)所示)并研究了其低速沖擊損傷行為，通過角度的漸進變化減少了相鄰層的鋪設(shè)角的差值Δ，進而可減少復合材料的分層、改善復合材料的沖擊承載能力。圖4(b)為仿生螺旋鋪層復合材料在低速沖擊載荷下的典型失效特征，可看出在載荷下降后并未出現(xiàn)災(zāi)難性的失效模式，且損傷主要發(fā)生在板的背面。Mencattelli和Pinho還發(fā)現(xiàn)減小Δ可延緩發(fā)生災(zāi)難性載荷的時刻。Liu等探討了多種鋪層設(shè)計仿生螺旋復合材料的QSI力學特征，并發(fā)現(xiàn)減小加載面復合材料鋪層的Δ和增大背面的Δ可提高加載的峰值載荷。仿生螺旋鋪層復合材料盡管擁有一定力學性能方面的優(yōu)勢，但因需鋪設(shè)較多的層，對制造工藝要求較高，這就需要考慮制造缺陷的影響，且在復雜曲面結(jié)構(gòu)的適用性方面還需探討。

圖4 仿生螺旋鋪層復合材料截面及沖擊失效特征[30]Fig.4 Crosssection of bionic helicoidal laminated composites and impact failure characteristic[30]

從以上關(guān)于薄層單向帶復合材料的試驗研究可知，對于薄層復合材料的低速沖擊損傷行為，鋪層減薄改變了傳統(tǒng)理解的損傷演變過程，薄層復合材料出現(xiàn)了一種類似柔性約束的復合材料板損傷特征：損傷傾向于發(fā)生于板的表層背面，并向內(nèi)部擴展。薄層復合材料出現(xiàn)這種柔性板損傷特征的原因可能與界面增多有關(guān)，相當于厚度方向增加了更多的柔性約束，使厚度方向變形更為協(xié)調(diào)，內(nèi)部應(yīng)力集中程度低。同時，降低層厚對抑制內(nèi)部的分層有益，最終使表層的目視勉強可見沖擊損傷(BVID)更容易出現(xiàn)，這樣相比傳統(tǒng)按損傷容限設(shè)計復合材料結(jié)構(gòu)，新出現(xiàn)的失效行為使按沖擊損傷阻抗設(shè)計成為可能。然而過多地降低層厚也會對承載帶來負面影響，如文獻[25-26]觀察到超薄層復合材料中的跨層斷裂和分層總面積增加現(xiàn)象，具體絲束厚度的影響閾值及其背后的機制需一系列試驗與分析方面的研究工作進一步確定。

相比于薄層單向帶類復合材料，薄層機織復合材料的幾何構(gòu)型更為復雜、沖擊失效行為的影響因素更多。Toyota等研究了展寬機織復合材料的低速沖擊試驗和損傷特性，發(fā)現(xiàn)采用展寬絲束可改善沖擊阻抗，試件背面分層更為明顯，且低能量下展寬機織復合材料的分層區(qū)域面積會大于傳統(tǒng)機織復合材料。Sebaey和Mahdi開展了多個沖擊能量下展寬機織復合材料的低速沖擊試驗研究，發(fā)現(xiàn)展寬機織復合材料中分層更分散，使用混合鋪層后纖維斷裂現(xiàn)象有所改善，其研究過程中采用系列化的能量場，這是試驗表征展寬機織復合材料損傷特征的必要加載條件，但還應(yīng)進一步表征損傷特征，觀測各試驗件斷面的損傷情況，確定損傷的起始過程。Wagih等通過準靜態(tài)壓痕試驗發(fā)現(xiàn)絲束厚度為0.08 mm的薄層復合材料基體開裂早于超薄絲束展寬機織復合材料，但纖維束斷裂載荷提高。Sasikumar等測試了薄絲束和超薄絲束展寬機織和NCF復合材料，指出降低層厚可延緩分層和基體開裂，但纖維斷裂早，分層的面積會增加，特別是NCF復合材料的分層面積增加明顯。展寬機織復合材料比薄層NCF復合材料表現(xiàn)出了更好的沖擊阻抗，這與機織材料典型的纖維束紗線交織特征有關(guān)，采用展寬絲束會減少纖維束的波動頻率，降低了機織工藝對力學性能的不利影響。

由以上關(guān)于展寬機織復合材料的研究可知：低層厚機織復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合材料的纖維束波動在局部變化梯度大，導致的應(yīng)力集中更為嚴重。此外，關(guān)于絲束減薄對展寬機織復合材料沖擊阻抗的提升作用，現(xiàn)有文獻并未充分討論各類損傷的特征、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，仍有待進一步的研究。同時，現(xiàn)有文獻中展寬機織復合材料的鋪層設(shè)計比較單一，未考慮斜交鋪層。基于傳統(tǒng)復合材料的低速沖擊研究成果可知，在鋪層設(shè)計中引入斜交鋪層有助于提升復合材料的損傷容限，未來有必要針對含斜交鋪層的展寬機織復合材料開展研究，以得到多種鋪層情況下的損傷特征。

2.2 高速沖擊失效特征

考慮到高速沖擊載荷的復雜性及目前工程中主要按低速沖擊損傷容限準則設(shè)計復合材料結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有文獻中對薄層復合材料高速沖擊損傷行為的研究工作相對較少。自然界中的螳螂蝦在捕獵時前螯在水下的加速度與5.58 mm口徑子彈相當，對應(yīng)仿生復合材料也應(yīng)具備抗高速沖擊潛力。工程中復合材料在高速載荷下也出現(xiàn)了大量的應(yīng)用場景，如航空發(fā)動機復合材料機匣包容問題(如圖5所示)、多層防護結(jié)構(gòu)的防彈背板和美國國家航空航天局(NASA)在火星探索中使用的無人直升機旋翼。這些應(yīng)用場景和結(jié)構(gòu)都十分適合薄層復合材料——在有限的厚度內(nèi)可以鋪更多的層。基于這種生物界和工程界中存在的高速沖擊場景，研究薄層復合材料在高速沖擊下的吸能過程和損傷行為也顯得較有意義。

圖5 航空發(fā)動機復合材料機匣高速沖擊旋轉(zhuǎn)包容試驗[41]Fig.5 High speed impact rotating containment test for aeroengine composite casing[41]

現(xiàn)有文獻中Abir等開展了仿生螺旋薄層單向帶復合材料的高速沖擊損傷行為研究，發(fā)現(xiàn)高速沖擊載荷下仿生螺旋復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)鋪層和正交鋪層復合材料的損傷較為集中。Liu等指出螺旋鋪層復合材料的抗沖擊性能對鋪層結(jié)構(gòu)更為敏感。因此采用薄層設(shè)計的復合材料，無論是在局部破壞還是整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面都有利于復合材料結(jié)構(gòu)抗高速沖擊性能的提升。這可能是因為薄層復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。除仿生螺旋鋪層外，也可將厚鋪層與薄鋪層結(jié)合起來設(shè)計為梯度鋪層，或?qū)⒍喾N材質(zhì)結(jié)合起來設(shè)計為混雜鋪層，以進一步探索采用展寬減薄絲束提高復合材料抗高速沖擊性能的方法。

總而言之，薄層復合材料在先進輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景，通過對薄層復合材料高速沖擊損傷行為的研究可總結(jié)出適用于極端環(huán)境下薄層復合材料結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計準則與方法，為薄層復合材料的應(yīng)用場景擴展提供基礎(chǔ)。

2.3 層間斷裂韌性

復合材料結(jié)構(gòu)沖擊后的分層損傷面積是衡量復合材料沖擊損傷阻抗的直接指標，復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合材料，Sihn和Yokozeki等認為絲束減薄對沖擊后的分層損傷面積沒有顯著影響，而Amacher和Saito等試驗發(fā)現(xiàn)當層厚減小至0.04 mm時沖擊分層損傷面積會增加。Cugnoni等認為層厚減薄至0.1 mm時才會明顯地抑制復合材料分層。對于展寬機織復合材料的層間性能，低速沖擊的測試結(jié)果和QSI的測試結(jié)果存在差別：Wagih等的QSI結(jié)果顯示在纖維斷裂前，薄層復合材料的分層面積小于標準層厚復合材料；Sasikumar等在試驗中觀察到薄層復合材料分層面積高于標準層厚復合材料的現(xiàn)象，早期Toyota等在低能量沖擊載荷下也觀測到類似的情況。這些現(xiàn)有文獻對薄層復合材料沖擊分層中的層厚效應(yīng)沒有一致的認識，且研究均只觀察了沖擊分層的現(xiàn)象，并未從細節(jié)上觀測出層間裂紋的起始與演化規(guī)律。因此揭示試驗中不同分層現(xiàn)象的機制，了解絲束厚度對薄層復合材料層間和層內(nèi)斷裂韌性的影響十分必要。

通常，復合材料基體韌性、鋪層方向和紡織方式都會影響復合材料層間斷裂性能，相比傳統(tǒng)復合材料，絲束厚度減薄又構(gòu)成了影響層間斷裂性能的一個因素。因材料的斷裂韌性本身就是一個與板材厚度有關(guān)的參數(shù)，當疊層材料局部厚度變化時，材料的斷裂韌性必然存在差別。這方面研究也引起了國內(nèi)外學者的關(guān)注，F(xiàn)urtado等指出復合材料層厚變化對層內(nèi)斷裂韌性具有影響，只是對其中的機制存有異議。一種觀點認為層厚變化使纖維拔出失效的難易程度發(fā)生改變，從而改變了斷裂韌性；另外一種觀點認為層厚變化改變了纖維-基體開裂等非關(guān)鍵失效的競爭關(guān)系，導致層內(nèi)斷裂的差異性。Furtado等傾向于第2種觀點，即層厚變化引起非關(guān)鍵破壞模式(Subcritical Damage)的變化，缺口處裂紋重新分布進而影響層內(nèi)斷裂韌性。對于可表征分層行為的層間斷裂韌性，研究人員針對單向帶復合材料開展了層厚變化的影響因素研究。Frossard等選取3種單層厚度分別為0.030、0.075、0.150 mm的單向帶復合材料，探討了層厚對復合材料層間I型斷裂韌性的影響，其數(shù)值和試驗結(jié)果表明層間裂紋的起始受單層厚度的影響不明顯，但單層厚度越薄，斷裂應(yīng)變能釋放率越低，且纖維橋接的現(xiàn)象也越少。事實上，文獻[46]未得出厚鋪層復合材料的穩(wěn)定臨界能量釋放率，這與I型開裂中存在大量的纖維橋接現(xiàn)象有關(guān)，其制備的厚鋪層復合材料中出現(xiàn)了大量的纖維和樹脂聚集區(qū)，導致裂紋擴展不穩(wěn)定。Frossard等又針對薄層復合材料的層間和層內(nèi)纖維橋接開展了研究，并指出薄層復合材料層間斷裂纖維橋接密度低的現(xiàn)象。薄層復合材料采用的為展寬減薄纖維束，有利于基體和纖維的均勻分布，為層間裂紋擴展形成了連續(xù)界面路徑，減少了穿越分層平面的纖維橋接現(xiàn)象。國防科技大學江大志團隊針對單向帶復合材料設(shè)計了單層厚度分別為0.020、0.055、0.125、0.200 mm 的4種試件，開展了短梁剪切試驗，發(fā)現(xiàn)單向帶復合材料的層厚越薄，層間剪切強度越高。此外機織結(jié)構(gòu)本身也會對材料的層間斷裂韌性造成影響，機織纖維束的交織變化可能導致其復合材料層間裂紋擴展的不協(xié)調(diào)。美國緬因大學、上海交通大學、突尼斯斯法克斯大學、新加坡國立大學和東華大學的研究人員已針對機織復合材料的層間斷裂韌性開展了一系列測試和分析工作，指出機織復合材料的層間斷裂韌性測試結(jié)果比單向帶復合材料分散性更大，但對于展寬機織復合材料層間斷裂韌性方面的研究在已公開文獻中鮮見報道。

現(xiàn)有文獻在低速沖擊試驗中就已觀察到加載速率對復合材料分層的影響。國外You和Yum、Sun和Han及中國的李玉龍團隊針對單向帶復合材料層間動態(tài)斷裂行為的研究表明加載速率超過某個閾值后，隨加載速率增加，界面層間斷裂韌性也會增加。Smiley和Pipes的研究表明隨加載速率增加，層間斷裂韌性出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象。盡管現(xiàn)有文獻在動態(tài)加載方面的認識存在差別，但都認可加載速率會對層間斷裂韌性造成影響。對于薄層復合材料的動態(tài)層間斷裂韌性測試，鮮有文獻在此方面開展研究，這主要是受制于動態(tài)層間斷裂測試標準的缺乏和紡織類薄層復合材料層間裂紋擴展不穩(wěn)定。裂紋沿界面擴展的難易程度會很大程度上影響復合材料的機械性能，通常復合材料各鋪層之間是一種弱界面的結(jié)合方式，在沖擊載荷下會不可避免地發(fā)生分層問題。復合材料的層間斷裂又與加載速率、絲束厚度及紡織工藝有一定相關(guān)性，在開展沖擊損傷行為研究時，可進一步開展薄層復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雜的瞬態(tài)過程，如要通過試驗手段表征薄層復合材料沖擊失效的起始及演化過程，研究人員需安排系列化的沖擊能量、多種鋪層順序及厚度，并排除纖維和基體類型對失效規(guī)律的影響?，F(xiàn)有試驗研究主要借助C掃描確定沖擊后失效的面積，通過觀察斷面確定典型能量或加載位移下的失效特征。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合材料的沖擊失效規(guī)律，還應(yīng)進一步理清薄層復合材料中纖維斷裂、纖維-基體界面的分離及基體剪切形變的相互競爭機制。

3 薄層復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合材料在各種復雜載荷下局部變形、損傷演化和織物幾何特性對力學性能的影響規(guī)律，揭示變形和損傷失效機制。復合材料是一個典型的多尺度結(jié)構(gòu)：在微觀尺度，單根纖維分布于基體構(gòu)成了復合材料中的纖維束；在細觀尺度，纖維束以多種織物形式結(jié)合樹脂基體構(gòu)成了不同類型的復合材料；在宏觀尺度，單層復合材料以不同的角度堆疊構(gòu)成復合材料結(jié)構(gòu)?？紤]到復合材料的計算模型較多，重點總結(jié)應(yīng)用于薄層復合材料沖擊仿真分析的模型，并按多尺度特征介紹薄層復合材料仿真方法的特點。國內(nèi)外研究薄層復合材料沖擊仿真方法的文獻如表2所示，總體上現(xiàn)有的沖擊仿真模型主要針對薄層單向帶復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，現(xiàn)有模型少有考慮應(yīng)變率效應(yīng)的。

表2 薄層復合材料沖擊仿真方法研究的匯總[24-25,27-29,31,57-58]Table 2 Summary of impact analysis methods for thin-ply composites[24-25,27-29,31,57-58]

3.1 宏觀均勻化模型

如果薄層復合材料中的單層厚度效應(yīng)和力學性能能夠得到準確的表征，如厚度參數(shù)對斷裂韌性、局部力學特征及損傷演化的影響，那么薄層復合材料與傳統(tǒng)復合材料只存在單層幾何尺寸上的差別，這樣傳統(tǒng)復合材料層合板理論及基于彈性力學理論的數(shù)值分析方法依然可應(yīng)用到薄層復合材料分析之中。薄層復合材料沖擊分析已形成了基于彈簧-質(zhì)量模型的解析方法、基于能量分析的解析模型、基于經(jīng)典層合板理論和彈性力學理論的數(shù)值模擬方法。解析方法在估算復合材料靶板的整體響應(yīng)、彈體剩余速度和侵徹深度方面有一定應(yīng)用，Olsson采用彈簧-質(zhì)量模型計算了薄層單向帶復合材料在大質(zhì)量沖擊載荷下的力學響應(yīng)，這實質(zhì)上是一個沿厚度方向的準靜態(tài)加載過程，此模型考慮彎曲引起的纖維束壓縮失效，預(yù)測了復合材料層合板的變形和損傷過程。

纖維增強復合材料因纖維和基體的剛度不一致問題，局部纖維的應(yīng)力場比較復雜，外力驅(qū)動主裂紋擴展的方向也具有多樣性。采用數(shù)值模擬手段可便捷地分析這些復雜載荷或特殊結(jié)構(gòu)的力學特征，對準確預(yù)測裂紋的起始與擴展十分重要。相比解析計算方法，目前采用有限元方法進行復合材料沖擊分析的文獻較多。對于復合材料沖擊的有限元分析，典型的模型構(gòu)建策略如圖6所示。

模型可由各個復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6(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合材料厚度方向?qū)觾?nèi)和層間的力學行為?；诖瞬呗钥蓪δＰ瓦M行初步簡化：部分單層作為整體構(gòu)成子層，有限元模型中子層整體離散為一層有限單元，并在子層之間引入界面，稱為“子層+界面”法，如圖6(b)所示。以上兩種方法中可不引入界面單元以進一步簡化模型。此外厚度方向也可將復合材料板整體只取一層單元，構(gòu)成整體均勻化法，如圖6(c)所示。

圖6 復合材料宏觀尺度沖擊仿真有限元模型的典型構(gòu)建策略Fig.6 Typical finite element modeling strategies of a macroscale impact analysis for composites

總體上，“單層+界面”法計算精度較高，Abir等針對50層的仿生螺旋鋪層復合材料使用“單層+界面”法建模，在總厚度為3 mm的板上沿厚度方向布置了50層有限單元，可達到較高的計算精度；Liu等也采用了類似的方法開展了力學分析?！皢螌?界面”法存在計算和建模工作量較高的缺點，為減小計算工作量，Amacher等、Mencattelli和Pinho采用圖6(c)中的整體均勻化法分析了薄層復合材料的沖擊損傷行為。沖擊問題要考慮厚度方向的應(yīng)力狀態(tài)，在厚度方向離散為一個整體的單元層并不能詳細地反映沖擊過程中厚度方向上的分層、變形和應(yīng)力狀態(tài)。這種情況下，“子層+界面”法因既減少了厚度方向上的單元數(shù)量，又可在局部層中引入COHESIVE界面，保障了計算效率和精度，可在需提高薄層復合材料沖擊計算效率的情況下采用。此外，宏觀均勻化模型中復合材料單層被認為是正交各向異性材料，通常采用等效工程常數(shù)表示單層等效的剛度和強度。所不同的是，薄層復合材料的單層表現(xiàn)出了一定的就位強度效應(yīng)——在實際的多向復合材料層合板中單層的橫向強度和剪切強度會出現(xiàn)增加的現(xiàn)象。這樣在薄層復合材料沖擊分析模型中，就需要能夠正確表征所用材料的單層剛度和強度。

薄層復合材料宏觀沖擊分析模型中另外一個要考慮的問題是復合材料的應(yīng)變率效應(yīng)。文獻[28,31]仿真分析了高速沖擊載荷下復合材料的損傷行為，并未考慮材料的應(yīng)變率問題。纖維增強復合材料一般認為對應(yīng)變率敏感，特別是樹脂基體具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性。對于考慮復合材料應(yīng)變率效應(yīng)的動態(tài)本構(gòu)模型，目前可從宏觀唯象方法和細觀力學方法兩個角度構(gòu)建考慮復合材料應(yīng)變率效應(yīng)的動態(tài)本構(gòu)模型。細觀力學方法是將纖維和基體作為材料的基本單元，將復合材料的宏觀性能與組分材料的細觀性能聯(lián)系在一起，通過組成材料的應(yīng)力與應(yīng)變場實現(xiàn)整體宏觀應(yīng)力應(yīng)變場的計算，如對微觀力學模型進行應(yīng)變率改進形成復合材料的動態(tài)本構(gòu)模型。宏觀力學方法以連續(xù)介質(zhì)力學為基礎(chǔ)，結(jié)合彈塑性理論、連續(xù)損傷力學描述材料整體的力學響應(yīng)?；诩氂^力學的動態(tài)本構(gòu)符合組分材料的力學特征，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。兩類本構(gòu)模型各有特征，由于復合材料的動態(tài)本構(gòu)模型還處于逐漸成熟完善的過程中，在實際工程研究過程中，兩種建立復合材料動態(tài)本構(gòu)的思路應(yīng)根據(jù)計算需求相互借鑒。

3.2 多尺度模型

復合材料典型的多尺度沖擊分析流程如圖7所示，可包括微觀力學模型、細觀尺度模型和宏觀尺度模型。對于單向帶類復合材料，可建立纖維在基體中規(guī)律或隨機分布的微觀力學模型(如圖7 所示)，開展剛度、強度及斷裂方面的力學性能預(yù)測。這類模型一般包括直徑在微米級別的纖維絲和包圍纖維的樹脂。與纖維和樹脂材料相比，界面可提供較低的能量擴展路徑，裂紋通常會沿纖維和基體的界面擴展，為更好地表征纖維和基體之間的相互作用，可在有限元計算過程中于二者之間引入界面單元，分析裂紋沿纖維表面擴展或靠近纖維基體內(nèi)的擴展情況，如Guillén-Hernández等建立了纖維在基體中隨機分布的二維微觀力學模型，結(jié)合相場方法分析了薄層單向帶復合材料的就位強度效應(yīng)，此分析方法可有效預(yù)測薄層復合材料中橫向基體延遲開裂的現(xiàn)象；從其分析結(jié)果上看，就位效應(yīng)主要體現(xiàn)在基體裂紋的擴展速度上，其列出的3種層厚的復合材料裂紋起始時刻大致相同，但厚鋪層的復合材料較快地形成了跨層斷裂。Chen等采用三維微觀力學模型結(jié)合機器學習的方法對單向帶復合材料在三軸加載下的力學性能特征進行了研究，微觀模型中包含典型的纖維絲、基體和界面項，但模型計算結(jié)果并沒有表征出裂紋在基體的斷裂擴展過程。

NCF復合材料和展寬機織復合材料都屬于紡織物復合材料。如圖7所示，這類材料在多尺度分析過程中纖維束視為單向復合材料，可通過微觀尺度模型計算其力學性能參數(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。在細觀尺度單胞模型的基礎(chǔ)上，既可直接對單胞進行組裝，構(gòu)建細觀尺度的多尺度沖擊分析模型(方案1)；也可在得到紡織物單層等效剛度和強度參數(shù)的基礎(chǔ)上，進行宏觀尺度的沖擊分析(方案2)。在這樣的一個過程中，構(gòu)建細觀尺度的單胞(Unit Cell)和RVE(Representative Volume Element)模型十分重要。美國材料試驗協(xié)會(ASTM)標準中單胞的定義為可表征紡織物組成的最小織物結(jié)構(gòu)，RVE則是力學計算中常用到的名詞，指紡織物的可重復典型結(jié)構(gòu)。RVE可以是一個單胞，也可以是多個單胞，二者都屬于織物復合材料的細觀尺度模型。

圖7 復合材料多尺度沖擊仿真框架——以機織復合材料為例Fig.7 Multi-scale impact modeling framework for composites: A case of woven composites

薄層復合材料因其較寬的絲束，通常制備成連續(xù)型NCF復合材料。典型連續(xù)型NCF復合材料為多層一體結(jié)構(gòu)，厚度方向的紗線穿過絲束，將其捆綁在一起。厚度方向的紗線通常為聚酯物，與復合材料基體的材料性能類似，也因此在構(gòu)建RVE模型時可不構(gòu)建真實的捆綁紗線，只考慮紗線造成的纖維束擾動和富樹脂區(qū)。當然也可以先將多層結(jié)構(gòu)分為多個單層去預(yù)測NCF單層力學性能，然后再進行宏觀尺度的分析。因為NCF復合材料類似于單向帶復合材料的織物結(jié)構(gòu)，如果有合理的單層性能折減系數(shù)或等效分析方法，可將其等效為單向帶復合材料進行分析，以減小計算工作量。

機織復合材料的細觀模型已有多種解析模型和數(shù)值建模策略，其中解析模型主要有鑲嵌模型(Mosaic Model)、纖維束波動模型(Fiber undulation Model)、橋接模型(Bridging Model)及基于串并聯(lián)混合模型的均勻化方法。機織復合材料解析模型的研究工作為認識薄層類展寬機織復合材料的幾何結(jié)構(gòu)特征和構(gòu)建數(shù)值模型提供了較好的研究思路。機織復合材料的細觀數(shù)值模型主要是細觀單胞模型和亞單胞模型。細觀單胞模型是根據(jù)真實的機織結(jié)構(gòu)建立的模型，建模及劃分網(wǎng)格都比較復雜；亞單胞模型一般是將細觀單胞模型分成不同的區(qū)域，在各個區(qū)域進行局部均勻化建立的細觀尺度模型。除直接構(gòu)建細觀尺度沖擊分析模型外，也可按圖7只在細觀尺度對單層進行均勻化，得到單層等效剛度和強度參數(shù)，并在宏觀尺度進行沖擊分析，如Soto等將展寬機織復合材料單層進行均勻化，不考慮纖維束的機織結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了低速沖擊分析模型對纖維、基體和分層特征進行預(yù)測。盡管直接對單層進行均勻化會帶來計算上便利，但織物細觀幾何結(jié)構(gòu)對沖擊損傷起始及演化的影響無法反映出來。這就需要在細觀尺度上開展多尺度沖擊仿真分析：將絲束單獨考慮，并按機織單胞在細觀尺度構(gòu)建RVE模型。一方面，展寬減薄的絲束厚度在0.1 mm以下且寬度在7 mm以上，要在這個寬厚比較高的單層結(jié)構(gòu)中考慮厚度方向的變形和纖維束方向的波動，精細的RVE模型也是必要的；另一方面，Cao等的研究工作表明角鋪層展寬機織復合材料的RVE模型具有明顯的面內(nèi)尺寸效應(yīng)，而工程實際中往往又會設(shè)計有角度鋪層以使復合材料的整體性能更均衡。為考慮RVE模型的尺寸效應(yīng)，要求RVE模型包含足夠的機織單胞，這將導致細觀尺度計算工作量的提升。此外考慮到復合材料沖擊損傷分析屬于宏觀尺度的力學問題，使用細觀尺度模型分析宏觀力學問題，其分析模型要綜合考慮計算效率和精度。

綜上，薄層復合材料與傳統(tǒng)復合材料在材料體系上沒有變化，工程應(yīng)用中無需再驗證其材料體系的可靠性?，F(xiàn)有各向異性的本構(gòu)模型、失效準則、損傷模型、建模策略及其他新方法依然有較大的適用性，在薄層復合材料沖擊仿真分析時可進行完善從而應(yīng)用到計算之中。在模型構(gòu)建方面，準確表征薄層復合材料的單層性能是保證計算精度的關(guān)鍵，包括薄層單向帶復合材料的單層性能和紡織類薄層復合材料的等效單層性能。建模過程可使用現(xiàn)有復合材料體系的失效準則，但應(yīng)考慮所采用的單層強度參數(shù)(如橫向基體強度參數(shù))的就位強度效應(yīng)；可使用現(xiàn)有復合材料的離散或連續(xù)退化模型，但退化模型的參數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗重新標定；可采用內(nèi)聚力模型(Cohesive Model)描述其界面的斷裂行為，但常用雙線性本構(gòu)的適用性需進一步評估。在模型規(guī)模方面，相比同類型、相同整體厚度的傳統(tǒng)復合材料，模型單元數(shù)量會顯著增加，如2.1節(jié)提到的仿生螺旋鋪層設(shè)計，厚度方向的鋪層數(shù)量會是傳統(tǒng)復合材料的2～3倍，可根據(jù)計算需求選擇圖6和圖7中描述的沖擊分析模型構(gòu)建策略，選擇合理的分析方法，達到模型規(guī)模、計算效率和結(jié)果精度的平衡。對于紡織結(jié)構(gòu)相對復雜的展寬機織復合材料，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合材料需研究的一個重要問題。

4 總結(jié)與展望

從薄層復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) 薄層復合材料主要包含薄層單向帶復合材料、薄層NCF復合材料和展寬機織復合材料3類。后兩者屬于紡織物復合材料，薄層NCF復合材料力學特征與單向帶復合材料的力學特征接近；展寬機織復合材料具有傳統(tǒng)機織復合材料的材料特征，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，薄層復合材料表現(xiàn)出了與傳統(tǒng)復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合材料中更容易出現(xiàn)，使按損傷阻抗設(shè)計此類復合材料結(jié)構(gòu)具有了一定的可行性；對展寬機織復合材料的沖擊損傷行為認識不足，缺少系列化能量場、多種絲束厚度、機織結(jié)構(gòu)影響情況下的材料沖擊損傷起始、演化和變形方面的研究。因此揭示沖擊載荷下層厚設(shè)計參數(shù)對薄層類復合材料多種破壞模式間的影響機制是待解決的關(guān)鍵科學問題之一。通常復合材料尺寸效應(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合材料力學性能的認識。

3) 高速沖擊載荷下具有仿生螺旋鋪層的薄層復合材料表現(xiàn)出了更好的吸能和承載特性，但目前在薄層復合材料高速沖擊損傷行為及單層厚度影響規(guī)律方面的研究依然不充分。薄層復合材料具有較高的可設(shè)計性，使其在航空發(fā)動機機匣包容、裝甲防護等高速沖擊場景下具有一定的應(yīng)用潛力，現(xiàn)有按低速沖擊損傷容限方法設(shè)計復合材料結(jié)構(gòu)壽命的過程在高速沖擊載荷下并不完全適用，因此研究薄層復合材料高速沖擊下的力學行為、總結(jié)高速沖擊載荷下的安全設(shè)計準則與方法是十分有意義的科學問題。

4) 現(xiàn)有文獻已開展薄層單向帶復合材料層間斷裂韌性方面的研究工作，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，但具體的影響機制還需探討；研究薄層NCF復合材料和展寬機織復合材料層間斷裂韌性的文獻相對較少，因紡織結(jié)構(gòu)的影響，這些紡織類復合材料層間斷裂韌性測試結(jié)果比單向帶復合材料的分散性更大，還需進一步開展其層間斷裂韌性方面的研究工作。此外復合材料的層間斷裂韌性會受加載速率的影響，關(guān)于薄層復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問題。

5) 對于宏觀尺度沖擊損傷模擬，若薄層復合材料的單層力學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合材料。這樣表征薄層復合材料中的就位強度效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)、單層厚度效應(yīng)及紡織結(jié)構(gòu)的影響就構(gòu)成了影響宏觀尺度仿真模型準確性的關(guān)鍵點。在模型構(gòu)建方法方面，“單層+界面”法計算精度最高；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合材料應(yīng)變率效應(yīng)，薄層復合材料應(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NCF復合材料可不考慮厚度方向捆綁紗線進行細觀模型構(gòu)建。展寬機織復合材料的織物結(jié)構(gòu)相對復雜，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問題，需探索建立準確高效的多尺度沖擊仿真方法。

感謝西北工業(yè)大學航空學院郭偉國教授、王文智副教授及西安交通大學航天航空學院范學領(lǐng)教授的建議和支持。