1.引言
纤维增强复合材料与常规金属材料相比，具有比强度高、可设计性强、工艺性好等诸多优点，因而广泛地应用于航空航天领域［1］。复合材料结构对面外冲击载荷较为敏感，冲击造成的损伤会大幅削弱层合 板 压 缩 强 度，使 得 结 构 承 载 能 力 大 大 降低［2］。因此，复合材料冲击损伤越来越多地受到广大研究者的关注。
试验研究与数值模拟是研究复合材料冲击损伤问题最主要的两种手段。杨宇等［3］研究了含损伤层合板的压缩破坏机制，通过超声 C 扫描和声发射获得了分层损伤分布和压缩破坏过程。程小全等［4］进行了不同能量下层合板冲击试验，给出了不同冲击能量下冲击表面与冲击背面的损伤状态。刘洪权等［5］建立了模拟层间应力及损伤的有限元模型，采用内聚力单元模拟层间损伤起始与扩展，数值模拟结果与试验结果吻合较好。Moural 等［6］在板壳元基础上发展了一种新力学模型，将低速冲击视为准静态过程，没有考虑渐进损伤。林淡等［7］建立了预测含损伤层合板压缩破坏强度分析模型，将有限元分析得到的冲击损伤状态作为初始条件，考虑材料失效准则与刚度退化，损伤演化过程的破坏模型与试验结果非常一致。
本文开展了不同冲击能量下层合板低速冲击试验，得到了不同能量下冲击凹坑深度，并对含损伤层合板进行了剩余压缩强度试验。在此基础上，建立了层合板冲击损伤预测有限元分析模型，分别采用 Hashin 失效准则和界面单元模拟单层与层间破坏，预测了不同冲击能量下层合板分层损伤面积，并与无损检测结果进行了对比。
2.层合板落锤冲击试验
2.1试验过程
层合板冲击试验参 照 美 国 材 料 与 试 验 协会ASTM D 7136“测量纤维增强聚合物基复合材料对落锤冲击事件的损伤阻抗的标准试验方法”［8］。层合板 尺 寸 100mm × 150mm，铺 层 为［45 /0 / － 45 /903s。半球形冲头材质为钢，质量 5． 5kg，直径16mm。本文试验用层合板由国产 USN20000 型单向碳纤维预浸料通过真空袋 － 热压罐成型工艺制备而成，单层厚度 0． 2mm，并且采用多功能超声波探伤仪对成型层合板进行了无损检测，确保试验件无初始损伤。
如图 1 所示，用带有半球形冲头的落锤试验装置使矩形层合板受到面外冲击，试验件对中放置在带有 4 个夹子的试验夹具上，冲击后取出层合板并立刻测量其凹坑深度。
2.2 试验结果分析
2.2.1损伤形貌
层合板冲击后典型形态如图 2 所示，在 32． 6J冲击能量下，层合板表面冲击区域有肉眼明显可见的局部圆形凹坑，背面中部有向外拱起现象，并且用肉眼能观察出沿该层纤维方向的开裂。层合板非冲击区域没有明显的变化。
2.2.2 凹坑深度与冲击能量变化关系
不同冲击能量下，层合板凹坑深度与冲击能量变化关系如图 3 所示。凹坑深度随冲击能量的增大而增大，二者具有明显的一一对应关系。冲击能量为 9J、12J 时，凹坑深度很小，肉眼几乎不能识别。随着冲击能量逐渐增大，在冲击能量为 10J － 20J 之间时，凹坑深度增加很快，在层合板表面会出现肉眼明显可见的近似圆形凹坑; 冲击能量继续增大，凹坑深度增速变缓，在整个过程中，层合板非冲击区域都没有明显的变化。
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