题目：CFRP层合板的低速冲击阻抗及损伤容限性能研究

        先进碳纤维/树脂基复合材料由于比强度和比刚度高，在飞机结构中得到越来越多的应用，使用范围逐渐由次承力结构向主承力结构转变。随着对结构承载能力要求的日益提高，仅用“冲击后压缩强度”这一个指标已不能全面的衡量复合材料结构的抗冲击性能，为了保障结构安全，复合材料的损伤容限设计方法也在不断的发展。由于较弱的层间性能，低速冲击作用会导致复合材料层合板的内部产生大量的分层损伤，而表面损伤却几乎目视不可检，这对复合材料结构的使用安全构成了较大的威胁。虽然目前对这方面已有大量的研究，但仍然存在很多不足，可供工程参考的许多结论仍停留在试验研究的阶段。为了满足工程应用的要求，有必要对复合材料层合板的低速冲击阻抗性能和损伤容限性能展开进一步的研究。

本文针对航空领域常用的三种复合材料体系的层合板结构，研究了其在低速冲击和准静态压痕两种损伤预制方式下的损伤阻抗性能和损伤容限性能。在理论分析和试验研究的基础上，本文在如下四个方面开展了研究工作，并取得了具有一定工程应用价值的创新性研究成果。

1）  揭示了复合材料层合板结构在低速冲击过程中的损伤机理。

         设计并完成了针对三种国产碳纤维/树脂基复合材料层合板的低速冲击试验，得到了每种材料体系在不同冲击能量下的凹坑深度、基体开裂长度和分层面积，并利用热揭层试验的检测结果分析了层间损伤的分布规律，揭示了CFRP层合板结构在低速冲击的损伤机理，研究对比了不同材料体系层合板结构的低速冲击阻抗性能。

2）  研究了复合材料层合板结构低速冲击损伤和准静态压痕损伤的等效性。

        设计并完成了针对三种国产碳纤维/树脂基复合材料层合板的准静态压痕试验，分析了每种复合材料体系的加载位移-接触力曲线，获得了准静态压痕试验后具有表面1mm凹坑深度的试件，并与低速冲击试验后同样具有表面1mm凹坑深度的试件进行了对比，详细分析了两种损伤预制方式下试件内部损伤的区别，研究了低速冲击损伤和准静态压痕损伤的等效性。

3）  设计了针对含初始低速冲击损伤复合材料层合板的压/压疲劳试验装置，研究了含有初始低速冲击损伤和准静态压痕损伤复合材料层合板结构的损伤容限性能。

        通过本文设计的压/压疲劳试验装置，可以使得试件在低速冲击试验后无需剪裁便可以直接应用于压/压疲劳试验，在固定试件的同时也保证了试件在压缩载荷下的对中性。借助于该试验装置，本文对含有初始低速冲击损伤和准静态压痕损伤的试件开展了CAI试验、压/压疲劳强度试验和疲劳试验后的压缩静强度试验，研究了不同能量下的低速冲击损伤和准静态压痕损伤对CFRP层合板结构损伤容限性能的影响。

4）  借助于有限元软件Abaqus®，基于渐进损伤分析方法编写了VUMAT子程序，通过数值模拟，研究了复合材料层合板结构的低速冲击阻抗性能。

        通过对复合材料渐进损伤分析方法的研究，选择了适用的失效准则和退化模型，编写了VUMAT子程序，建立了复合材料层合板结构受低速冲击过程的渐进损伤模型，设计了多种冲击质量和冲击速度的组合，通过数值模拟，分析了低速冲击过程中复合材料层合板结构的损伤机理，研究对比了冲击能量、冲击质量和材料体系对复合材料层合板结构低速冲击阻抗性能的影响。