3 层合板剩余压缩强度试验
含损伤层合板剩余压缩强度试验参照美国材料与试验协会 ASTM D 7137“含损伤聚合物基复合材料板剩余压缩强度性能的标准试验方法”［9］，试验件紧密安装在试验夹具上，确保夹具对试验件提供足够的支持且损伤部位位于夹具的中心。把夹具放在试验机的平台上，调节夹具，保证对中加载，如图 4 所示。
3.1 压缩破坏过程
受 32． 63J 能量冲击后，层合板最大压缩载荷为113． 3kN，剩余压缩强度为 232MPa。压缩过程中的载荷 － 位移曲线如图 5 所示，试验件破坏之前曲线基本为线性，达到极限承载能力时层合板突然破坏。破坏发生前，可以听到随着加载发出的连续“嘶嘶”声，表明损伤发生急剧扩展而丧失承载能力。
冲击后层合板中部发生损伤，在压缩载荷作用下，损伤从中部沿与载荷垂直方向扩展，因此压缩破坏的典型模式是贯穿中心损伤区域的层合板压断，如图 6 所示。当冲击载荷很小时，冲击表面凹坑目视不可见，未对层合板造成实质性损伤，此时由于层合板刚度较大，通常在层合板压断之前夹持端夹具会松动弹开，造成端部压溃，如图 7 所示。
3.2 剩余压缩强度与凹坑深度变化关系
表 1 所示是不同冲击能量下凹坑深度与层合板剩余压缩强度试验数据。开始阶段，当层合板表面出现肉眼可见凹坑后，剩余压缩强度随冲击能量的增加而降低得非常快。随着冲击能量增大，下降趋势逐渐平缓。9J 和 12J 冲击能量，层合板压断之前夹持端松动弹开，以此时的强度值作为完好层合板的压缩强度，当冲击能量为 40J 时，压缩强度减小了约 53． 7% ，可见面外冲击会大幅减小层合板的压缩强度。
4 冲击损伤数值模拟
4.1 冲击损伤分析模型
复合材料层合板低速冲击的主要损伤模式为层内纤维、基体损伤和层间分层损伤。建立层合板冲击损伤有限元模型，采用连续壳单元模拟层合板单层特性，相邻两层之间插入一层界面单元模拟层合板分层损伤。冲头采用刚性体模拟，其优点是无需划分网格，计算效率高。4． 1． 1 层内损伤模型采用 Hashin 失效准则模拟单层板损伤，它考虑了纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸、基体压缩 4 种失效模式，当单元应力满足 4 个中的 1 个时，就认为损伤发生。
损伤起始判据定义了材料发生损伤前的力学行为以及何时发生损伤，损伤演化则描述了损伤发生后到破坏的过程。引入损伤变量 d，用来表征材料损伤的程度，它与材料损伤起始点参数、破坏点参数以及损伤演化过程有关。在有限元分析时，在给出损伤起始判据和材料参数后，通常需要给出与失效模式对应的应变能释放率。
4.1.2 分层损伤模型
在相邻两层之间插入一层“零厚度”界面单元，用界面单元是否发生损伤来判断分层是否发生。界面层损伤起始判据采用二次名义应力判据，见式( 5) ，它包含了法向正应力和两个切向应力的作用。
对于界面层的破坏，采用基于临界应变能释放率的破坏准则。复合材料层合板单层是横观各向同性材料，界面元的两个剪应力分量对应的开裂模式分别是Ⅱ型和Ⅲ型裂纹，采用 BK 破坏准则［10］，分析时需给出 3 个方向的临界断裂能，则临界应变能释放率 GC可根据式( 6) 确定。
4.2 有限元分析结果
针对本文试验用层合板材料体系与铺层建立冲击损伤分析模型，标准冲击能量下分层损伤区域如图 8 所示，损伤面积约为 726mm2，损伤区域近似为圆形。
不同冲击能量下层合板分层损伤面积如图 9 所示，分层损伤面积随冲击能量增大而增加。标准冲击能量之前，分层损伤面积随冲击能量增大而增加较快，说明层合板刚度下降较快，分层损伤对冲击能量较为敏感。随着冲击能量继续增加，分层损伤面积增加趋势明显变缓，表明层合板内部已出现较大的分层损伤，逐渐达到抵抗面外冲击的临界状态。有限元分析得到的变化趋势与试验基本一致。
图 10 是 3 种不同冲击能量下冲头位移随时间变化的曲线，在一定的冲击能量范围内，冲击能量越大，冲头与层合板接触瞬时速度越大，冲头压入层合板位移越大，层合板弯曲变形越大，但冲头与层合板接触时间反而减小。
图 11 是冲击后层合板分层损伤超声 C 扫描形貌图。标准冲击能量下，C 扫描测量得到的分层损伤面积为 803mm2，有限元分析结果为 726mm2，相对误差为 9． 6% 。12J 冲击能量下，无损检测结果为406mm2，分析结果为 358mm2，相对误差为 11． 8% 。
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