摘要：復(fù)合材料傳統(tǒng)上應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，可滿足嚴(yán)苛的服役條件。近年來(lái)，其應(yīng)用已大幅拓展至風(fēng)能、船舶制造和汽車工業(yè)等其他工程領(lǐng)域。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常存在幾何不連續(xù)特征，如檢修開(kāi)孔或機(jī)械連接用緊固件孔，這類結(jié)構(gòu)在載荷作用下通常成為關(guān)鍵區(qū)域。因此，缺口引發(fā)的應(yīng)力集中是主要關(guān)注點(diǎn)，因其會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度較無(wú)缺口層壓板顯著降低。故而，全面理解缺口試樣的力學(xué)行為對(duì)于復(fù)雜復(fù)合材料組件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，這類組件通常采用螺栓和鉚釘進(jìn)行連接。本研究旨在通過(guò)對(duì)比分析無(wú)缺口與開(kāi)孔試樣，探究不同鋪層順序的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）層壓板的拉伸響應(yīng)與缺口敏感性。試樣中心開(kāi)設(shè)圓形孔，以模擬工程結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的幾何不連續(xù)特征，從而詳細(xì)評(píng)估應(yīng)力集中效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單向?qū)訅喊鍖?duì)缺口最為敏感；而多向?qū)訅喊逯?，?zhǔn)各向同性構(gòu)型的強(qiáng)度下降最顯著，接近50%。此外，采用點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則（PSC）和平均應(yīng)力準(zhǔn)則（ASC）計(jì)算試樣的特征長(zhǎng)度，結(jié)果顯示不同鋪層構(gòu)型的特征長(zhǎng)度存在顯著差異?？傮w而言，研究結(jié)果凸顯鋪層順序?qū)θ笨谔祭w維增強(qiáng)聚合物層壓板力學(xué)響應(yīng)的顯著影響，并強(qiáng)調(diào)需進(jìn)一步完善現(xiàn)有失效準(zhǔn)則，以適配新型層壓板結(jié)構(gòu)，包括布利利岡型螺旋仿生鋪層構(gòu)型。

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的需求持續(xù)增長(zhǎng)，這類材料相較傳統(tǒng)工程材料優(yōu)勢(shì)顯著，尤其適用于要求高比強(qiáng)度與高比模量的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，復(fù)合材料現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、運(yùn)動(dòng)器材、壓力容器和汽車零部件等領(lǐng)域。值得注意的是，波音787和空客A350等新一代民用大型運(yùn)輸機(jī)，已在機(jī)身主承力結(jié)構(gòu)中大量采用復(fù)合材料。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常包含幾何不連續(xù)部位，如裝配用開(kāi)孔與緊固件孔，在機(jī)械載荷下這些部位通常成為關(guān)鍵區(qū)域。碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）層壓板用于高性能結(jié)構(gòu)件，要求全面掌握其力學(xué)行為，尤其是開(kāi)孔狀態(tài)下的行為。實(shí)際上，復(fù)合材料的缺口強(qiáng)度一直是研究重點(diǎn)，眾多研究探究了缺口碳纖維增強(qiáng)聚合物層壓板在拉伸與壓縮載荷下的行為。缺口存在會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度較無(wú)缺口層壓板大幅降低，顯著影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞。層壓板的強(qiáng)度下降與缺口敏感性受多種因素影響，包括鋪層順序、缺口尺寸與幾何形狀、單層與層壓板厚度。此外，缺口存在時(shí)，載荷作用下的損傷與失效機(jī)制更為復(fù)雜，產(chǎn)生無(wú)缺口層壓板中不存在的應(yīng)力與應(yīng)變梯度。

已有研究表明，缺口強(qiáng)度強(qiáng)烈依賴缺口尖端的損傷類型，包括偏軸層基體開(kāi)裂、分層與0°層軸向劈裂，最終發(fā)生失效。層間損傷（如分層）通常會(huì)降低缺口強(qiáng)度，因?yàn)楦鲉螌涌裳刈枇ψ钚〉臄嗔涯Ｊ姜?dú)立失效。相反，若層間結(jié)合保持完好，缺口尖端的層內(nèi)損傷可通過(guò)改變?nèi)笨趲缀涡螤钺尫啪植繎?yīng)力，有可能提高缺口強(qiáng)度。因此，鋪層順序的影響至關(guān)重要，纖維取向與鋪層位置均顯著影響缺口強(qiáng)度。尤其是與加載方向一致的0°層，可通過(guò)形成軸向劈裂有效降低缺口尖端應(yīng)力集中，從而提高缺口強(qiáng)度并延遲最終失效。

已有多種貫穿厚度不連續(xù)形式用于評(píng)估碳纖維增強(qiáng)聚合物層壓板的缺口行為，包括中心裂紋、雙邊缺口和開(kāi)孔構(gòu)型。其中，開(kāi)孔層壓板已成為測(cè)定碳纖維增強(qiáng)聚合物層壓板缺口強(qiáng)度的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)測(cè)試條件高度敏感，受眾所周知的缺口尺寸效應(yīng)與層壓板鋪層等因素影響。因此，碳纖維增強(qiáng)聚合物層壓板在拉伸載荷下的力學(xué)性能，由缺口、孔洞等應(yīng)力集中因素與層壓板鋪層順序、纖維結(jié)構(gòu)之間的相互作用決定。缺口敏感性定義為幾何不連續(xù)導(dǎo)致的強(qiáng)度降低程度，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)建模尤為重要。

本研究整合剛度下降定性趨勢(shì)、特征長(zhǎng)度估算、缺口敏感性規(guī)律與觀測(cè)失效機(jī)制。通過(guò)對(duì)比纖維主導(dǎo)型與基體主導(dǎo)型層壓板，建立鋪層順序、失效模式與開(kāi)孔強(qiáng)度之間的普適性關(guān)系，突破單一構(gòu)型研究的局限。上述要素、連貫的多層壓板數(shù)據(jù)集、點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則/平均應(yīng)力準(zhǔn)則作為跨層壓板解析工具的應(yīng)用，以及失效行為與缺口敏感性的綜合評(píng)估，共同構(gòu)成本研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 材料與開(kāi)孔拉伸試樣制備

試樣采用市售碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料帶制備，標(biāo)稱厚度0.25 mm，材料以300 mm寬卷狀供貨。預(yù)浸料體系為單向連續(xù)中模量碳纖維，浸漬環(huán)氧樹(shù)脂體系，樹(shù)脂體積分?jǐn)?shù)34%。該材料體系廣泛應(yīng)用于空客A350 XWB主承力結(jié)構(gòu)件，包括機(jī)翼梁、機(jī)翼蒙皮、機(jī)身段、龍骨梁和中央翼盒。M21E/IMA碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂材料體系的剛度與強(qiáng)度性能，如表1 所示。

表1  M21E/IMA碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂材料體系的剛度與強(qiáng)度性能

采用手工鋪層方法制備200 mm×200 mm的8層板，包含多種鋪層順序：三種單向?qū)訅喊?，三種多向?qū)訅喊濉Ｋ袑訅喊鍢?biāo)稱總厚度2 mm。選擇上述鋪層順序，以便評(píng)估單向拉伸載荷下缺口試樣的不同損傷機(jī)制，包括纖維劈裂、基體開(kāi)裂和分層。所有層壓板按照廠商推薦標(biāo)準(zhǔn)固化工藝制備。層板在熱壓機(jī)系統(tǒng)中7 bar壓力下固化，升溫速率控制為1–3 ℃/min，180 ℃保溫120 min，隨后以2–5 ℃/min速率冷卻。后固化后，所有層板采用超聲C掃描檢測(cè)，驗(yàn)證層壓板完整性。M21E/IMA各鋪層的等效剛度性能與應(yīng)力集中系數(shù)，如表2所示。 

表2  M21E/IMA各鋪層的等效剛度性能與應(yīng)力集中系數(shù)

2.2 試樣幾何形狀與拉伸測(cè)試

遵循ASTM D5766標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，對(duì)單向與多向?qū)訅喊逯苽涞脑嚇舆M(jìn)行評(píng)估。采用硬質(zhì)合金鉆頭以受控進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速加工中心圓孔，加工公差控制在±0.05 mm以內(nèi)，確保高質(zhì)量加工，實(shí)現(xiàn)缺口敏感性與損傷的精準(zhǔn)表征。為確保無(wú)加工損傷，每個(gè)鉆孔在放大條件下目視檢查，確認(rèn)無(wú)邊緣崩缺、分層或熱降解，測(cè)試試樣均未發(fā)現(xiàn)缺陷?？讖脚c試樣寬度比為0.1。此類不連續(xù)特征會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布，形成應(yīng)力集中區(qū)域，局部應(yīng)力直接影響最終斷裂，失效通常始于幾何不連續(xù)部位。

對(duì)上述鋪層的無(wú)缺口與開(kāi)孔試樣開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試。試樣長(zhǎng)度200 mm，寬度30 mm，缺口試樣中心孔直徑3 mm（見(jiàn)圖1a）。采用千分尺在標(biāo)距段三個(gè)位置測(cè)量層壓板厚度，取平均值用于計(jì)算。同樣，加工后立即用數(shù)顯卡尺測(cè)量孔徑，確保尺寸精度。試樣兩端粘貼50 mm長(zhǎng)、3 mm厚的玻璃纖維端 tab，標(biāo)距長(zhǎng)度100 mm。采用標(biāo)準(zhǔn)高強(qiáng)度雙組分環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑粘貼端 tab。所有測(cè)試在50 kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸載荷速率恒定為50 N/s。參照ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)初步重復(fù)拉伸測(cè)試調(diào)整載荷速率，確保試樣在1–10 min內(nèi)發(fā)生失效。選擇恒定載荷速率，確保標(biāo)距段應(yīng)變速率近似恒定。設(shè)備配備專用軟件，可精確控制施加的位移或載荷，并記錄測(cè)試過(guò)程中的所有力學(xué)響應(yīng)。

每種鋪層的5個(gè)缺口試樣測(cè)試至失效，測(cè)定平均開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度并評(píng)估相關(guān)損傷機(jī)制。開(kāi)孔強(qiáng)度按失效時(shí)最大載荷除以總橫截面積（不考慮孔洞）計(jì)算，即原始試樣寬度乘以層壓板厚度。此外，對(duì)5個(gè)與缺口試樣尺寸相同的無(wú)缺口試樣（圖1b）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)定平均無(wú)缺口拉伸強(qiáng)度。由于未使用外部引伸計(jì)或應(yīng)變測(cè)量設(shè)備，試驗(yàn)機(jī)位移信號(hào)獲取的延伸值作為各鋪層定性對(duì)比的統(tǒng)一參考。

圖1 (a) 開(kāi)孔拉伸試樣幾何形狀；(b) 無(wú)缺口拉伸試樣幾何形狀（所有尺寸單位：mm）

3 缺口層壓板的應(yīng)力準(zhǔn)則模型

惠特尼和紐伊斯默開(kāi)發(fā)了兩種解析模型預(yù)測(cè)缺口碳纖維增強(qiáng)聚合物層壓板的行為。這些模型針對(duì)含圓孔或直裂紋的正交各向異性板建立，旨在預(yù)測(cè)幾何不連續(xù)存在下的失效。第一種模型假設(shè)當(dāng)孔邊緣某一距離處的應(yīng)力達(dá)到無(wú)缺口板的拉伸強(qiáng)度時(shí)發(fā)生失效，該方法稱為點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則（PSC）。第二種模型假設(shè)某一特征長(zhǎng)度上的平均應(yīng)力等于無(wú)缺口拉伸強(qiáng)度時(shí)發(fā)生失效，稱為平均應(yīng)力準(zhǔn)則（ASC）。此外，特征長(zhǎng)度被視為材料固有屬性，與不連續(xù)幾何形狀和局部應(yīng)力分布均無(wú)關(guān)。

計(jì)算缺口復(fù)合材料層壓板的特征長(zhǎng)度，旨在定義與缺口附近應(yīng)力重分布相關(guān)的材料長(zhǎng)度尺度，這些參數(shù)定量表征層壓板對(duì)應(yīng)力集中效應(yīng)的固有抗力?；跓o(wú)缺口與缺口試樣實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得的強(qiáng)度比，采用惠特尼-紐伊斯默應(yīng)力準(zhǔn)則計(jì)算所研究層壓板的特征長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

本研究采用無(wú)缺口與開(kāi)孔試樣評(píng)估多種碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）層壓板的拉伸強(qiáng)度。試樣中心開(kāi)設(shè)圓形孔，形成幾何不連續(xù)并引發(fā)局部應(yīng)力集中。測(cè)試主要目的為探究缺口敏感性隨層壓板鋪層順序的變化規(guī)律。

結(jié)果表明，單向?qū)訅喊宓娜笨诿舾行燥@著高于交叉鋪層和斜鋪層構(gòu)型，纖維0°取向的單向試樣敏感性最高。多向?qū)訅喊逯?，?zhǔn)各向同性試樣受開(kāi)孔影響最顯著，拉伸強(qiáng)度大幅下降（接近50%）。斜鋪層層壓板觀察到的偽塑性行為，對(duì)所評(píng)估應(yīng)力準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)精度有顯著影響。該發(fā)現(xiàn)表明，將預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于含傾斜纖維取向的其他層壓板時(shí)，應(yīng)明確考慮偽塑性。開(kāi)孔構(gòu)型對(duì)應(yīng)的失效模式與文獻(xiàn)報(bào)道一致，并成功通過(guò)實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)，除單向構(gòu)型外，所有鋪層均觀察到基體開(kāi)裂、層間分層和軸向劈裂，單向構(gòu)型主要失效機(jī)制為軸向劈裂。采用點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則（PSC）和平均應(yīng)力準(zhǔn)則（ASC）估算特征長(zhǎng)度，對(duì)比不同鋪層順序的結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在顯著差異。綜上所述，本研究結(jié)果凸顯鋪層設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)合材料缺口敏感性的決定性影響，進(jìn)而影響現(xiàn)有缺口層壓板應(yīng)力準(zhǔn)則模型的預(yù)測(cè)精度。除整體力學(xué)響應(yīng)外，纖維取向在支配缺口試樣性能方面起關(guān)鍵作用。

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