分层深度对航空复材结构压缩性能的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32340

中国飞机强度研究所建所 60 周年专刊

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分层深度对航空复材结构压缩性能的影响

刘子昂¹^,², 郑锡涛¹^,²(), 陈英实¹^,², 邓天择¹^,², 马伟杰³

^1.西北工业大学航空学院，西安 710072
^2.强度与结构完整性全国重点实验室，西安 710072
^3.航空工业济南特种结构研究所高性能电磁窗航空科技重点实验室，济南 250023

收稿日期:2025-05-30 修回日期:2025-06-17 接受日期:2025-08-21 出版日期:2025-09-08 发布日期:2025-09-05
通讯作者: 郑锡涛 E-mail:zhengxt@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2023YFB3709603);航空科学基金(ASFC-20230015053005)

Effect of delamination depth on compressive properties of aircraft composite laminates

Ziang LIU¹^,², Xitao ZHENG¹^,²(), Yingshi CHEN¹^,², Tianze DENG¹^,², Weijie MA³

^1.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Xi’an 710072，China
^3.Aviation Key Lab of Science and Technology on High Performance Electromagnetic Windows，AVIC Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composite，Jinan 250023，China

Received:2025-05-30 Revised:2025-06-17 Accepted:2025-08-21 Online:2025-09-08 Published:2025-09-05
Contact: Xitao ZHENG E-mail:zhengxt@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2023YFB3709603);Aeronautical Science Foundation of China(ASFC-20230015053005)

摘要/Abstract

摘要：

航空复合材料层合板结构在制造和使用过程中，容易产生分层损伤。分层损伤的存在会显著降低结构强度、刚度和稳定性，致使结构提前发生失稳和整体破坏。因此，需要探究分层损伤对复合材料层合板结构力学性能的影响。航空结构易分层部位如何选材亟待解决，分层深度对复合材料结构力学性能影响分析有待完善。为此，针对单分层损伤和冲击损伤（梯度分层损伤），选择4种碳纤维增强环氧树脂基复合材料，开展准静态压缩、低速冲击和冲击后压缩试验，对比含分层损伤4种复合材料层合板结构的压缩剩余强度；结合有限元仿真，探究分层深度对复合材料层合板结构压缩性能的影响趋势，并对产生这一趋势的原因进行分析。研究结果表明，相比于单向预浸料，航空结构在易分层部位选择高强度的织物预浸料会带来更好的效果，压缩剩余强度最大可提高118.31%，分层深度的差异将导致复合材料层合板的承载能力由不同子板的失效行为主导。研究结果深入讨论了分层损伤对航空复合材料层合板结构压缩性能的影响，为航空复合材料结构损伤容限设计提供了研究依据。

关键词: 航空复材结构, 层合板, 分层损伤, 压缩性能, 分层深度

Abstract:

Aircraft composite laminates are susceptible to delamination damage throughout their lifecycle， from manufacturing to in-service operation. The existence of delamination damage results in a significant degradation in structural strength， stiffness， and stability， which can induce early instability and precipitate global failure. Therefore， it is necessary to explore the influence of delamination damage on the mechanical properties of composite laminates. Addressing the material selection for delamination-critical regions in aircraft structures is an imperative research objective. Further analysis is warranted to understand how delamination depth affects the mechanical behavior of composite structures. Therefore， four kinds of carbon fiber reinforced epoxy resin matrix composites were selected for single delamination damage and impact damage （gradient delamination damage）. Quasi-static compression， low-velocity impact and compression after impact tests were carried out to compare the compressive residual strength of four composite laminates with delamination damage. Combined with finite element simulation， the influence trend of delamination depth on the compression performance of composite laminates is explored， and the reason for this trend is analyzed. The results show that compared with the unidirectional prepreg， the selection of high strength fabric prepreg in delamination-critical regions of the aircraft structure will bring better results， and the maximum compressive residual strength can be increased by 118.31%. Additionally， different delamination depths will lead to the bearing capacity of composite laminates determined by different sub-plates. The influence of delamination damage on the compressive properties of aircraft composite laminates has been discussed in depth， which provides a research basis for the damage tolerance design of aircraft composite structures.

Key words: aircraft composite structures, laminates, delamination damage, compressive properties, delamination depth

中图分类号:

V258

刘子昂, 郑锡涛, 陈英实, 邓天择, 马伟杰. 分层深度对航空复材结构压缩性能的影响[J]. 航空学报, 2025, 46(21): 532340.

Ziang LIU, Xitao ZHENG, Yingshi CHEN, Tianze DENG, Weijie MA. Effect of delamination depth on compressive properties of aircraft composite laminates[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(21): 532340.

图/表 34

图 1

图2

表1

表2

图 3

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图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

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表9

图 25

参考文献 26

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材料名称	材料编号
T800复合材料织物	M1
T800复合材料单向带	M2
T300复合材料织物	M3
T300复合材料单向带	M4

材料	试验件编号	试验件尺寸				试验标准
材料	试验件编号	平均长度/mm	平均宽度/mm	测试区平均长度/mm	平均厚度/mm	试验标准
M1	Y-M1-1	139.99	13.05	12.99	3.39	ASTM/D6641
	Y-M1-2	140.01	13.06	13.04	3.40
	Y-M1-3	139.99	13.04	13.04	3.41
	Y-M1-4	139.99	13.04	12.98	3.39
	Y-M1-5	139.99	13.03	13.00	3.36
M2	Y-M2-1	140.11	13.04	13.01	2.28	ASTM/D6641
	Y-M2-2	140.03	13.06	12.98	2.28
	Y-M2-3	140.06	13.06	12.97	2.26
	Y-M2-4	140.09	13.06	12.99	2.29
	Y-M2-5	140.03	13.05	12.99	2.28
M3	Y-M3-1	140.01	13.03	13.09	4.57	ASTM/D6641
	Y-M3-2	139.98	13.02	13.03	4.57
	Y-M3-3	140.02	13.02	13.06	4.57
	Y-M3-4	140.02	13.02	13.06	4.57
	Y-M3-5	139.99	13.01	13.05	4.57
M4	Y-M4-1	140.00	13.06	12.93	2.00	ASTM/D6641
	Y-M4-2	139.99	13.04	12.92	1.97
	Y-M4-3	140.00	13.03	12.93	2.04
	Y-M4-4	140.03	13.05	12.92	1.98
	Y-M4-5	140.01	13.05	12.91	2.00

材料	编号	破坏载荷/kN	破坏应力/MPa	平均值/MPa	标准差	离散系数/%
M1	Y-M1-1	24.38	551.00	527.96	20.96	3.97
	Y-M1-2	23.28	524.29
	Y-M1-3	24.31	546.71
	Y-M1-4	22.86	517.05
	Y-M1-5	21.92	500.72
M2	Y-M2-1	14.38	483.56	493.04	20.23	4.10
	Y-M2-2	15.47	519.60
	Y-M2-3	15.02	508.72
	Y-M2-4	14.42	482.14
	Y-M2-5	14.02	471.19
M3	Y-M3-1	29.56	496.47	457.96	26.73	5.84
	Y-M3-2	27.17	456.63
	Y-M3-3	26.56	446.36
	Y-M3-4	25.22	423.82
	Y-M3-5	27.74	466.53
M4	Y-M4-1	11.91	456.13	467.63	22.03	4.71
	Y-M4-2	12.01	467.65
	Y-M4-3	13.34	502.04
	Y-M4-4	11.44	442.70
	Y-M4-5	12.26	469.64

力学性能	T800单向带材料参数（M2）	数值
弹性模量	E₁/GPa	159.87
弹性模量	E₂/GPa	9.05
泊松比	ν₁₂	0.36
剪切模量	G₁₂/GPa	4.34
拉伸/压缩强度	X_t/MPa	2 387.80
	X_c/MPa	1 021.03
	Y_t/MPa	52.60
	Y_c/MPa	187.25
剪切强度	S₁₂/MPa	118.46

力学性能	层间性能参数	数值
弹性模量	E_N/GPa	5
	E_S/GPa	5
	E_T/GPa	5
层间强度	σ_N/MPa	54
	σ_S/MPa	70
	σ_T/MPa	70
层间断裂韧性	G_N/（N·mm^-1）	0.504
	G_S/（N·mm^-1）	1.566
	G_T/（N·mm^-1）	1.566

分层深度对航空复材结构压缩性能的影响

Effect of delamination depth on compressive properties of aircraft composite laminates

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试验件名称	试验件编号	实际破坏载荷/N	平均值/N	标准差	离散系数/%	仿真值/N	误差/%
含损伤准静态压缩-M2	Y-M2-1	14 376.80	14 660.65	577.42	3.94	14 209.90	3.07
	Y-M2-2	15 472.04
	Y-M2-3	15 015.27
	Y-M2-4	14 419.47
	Y-M2-5	14 019.69

类别	破坏载荷/N	百分比差值/%
2~3层间预制分层损伤	13 361.8	2.06
删除1、2层	13 087.0	2.06

试验件类型	试验件编号	试验件尺寸			冲击能量/J	试验标准
试验件类型	试验件编号	平均宽度/mm	平均长度/mm	平均厚度/mm	冲击能量/J	试验标准
层合板CAI-M1	CI-M1-1	100.17	150.21	6.75	45	ASTM/D7136 ASTM/D7137
	CI-M1-2	100.14	150.16	6.75
	CI-M1-3	100.11	150.16	6.75
	CI-M1-4	100.15	150.24	6.76
	CI-M1-5	100.17	150.18	6.76
层合板CAI- M2	CI-M2-1	100.19	150.07	4.54	30	ASTM/D7136 ASTM/D7137
	CI-M2-2	100.10	150.11	4.53
	CI-M2-3	100.20	150.15	4.53
	CI-M2-4	100.10	150.15	4.55
	CI-M2-5	100.13	150.09	4.56
层合板CAI-M3	CI-M3-1	100.10	150.07	9.16	60	ASTM/D7136 ASTM/D7137
	CI-M3-2	100.09	150.06	9.08
	CI-M3-3	100.08	150.08	9.14
	CI-M3-4	100.11	150.04	9.11
	CI-M3-5	100.13	150.07	9.14
层合板CAI-M4	CI-M4-1	100.08	150.12	4.05	25	ASTM/D7136 ASTM/D7137
	CI-M4-2	100.12	150.08	4.05
	CI-M4-3	100.10	150.06	4.00
	CI-M4-4	100.11	150.10	4.05
	CI-M4-5	100.08	150.09	4.04

试验件名称	试验件编号	实际破坏载荷/N	强度/MPa	强度平均值/MPa	强度标准差	强度离散系数/%
层合板CAI-M1	CI-M1-1	236 825.40	350.26	356.56	20.50	5.75
	CI-M1-2	239 718.00	354.64
	CI-M1-3	239 673.50	354.68
	CI-M1-4	263 860.00	389.74
	CI-M1-5	225 818.00	333.48
层合板CAI-M2	CI-M2-1	153 698.20	337.90	336.89	12.48	3.70
	CI-M2-2	158 640.30	349.85
	CI-M2-3	156 823.70	345.50
	CI-M2-4	144 702.17	317.71
	CI-M2-5	152 261.72	333.47
层合板CAI-M3	CI-M3-1	242 633.70	264.62	263.99	7.68	2.91
	CI-M3-2	238 491.90	262.42
	CI-M3-3	230 390.10	251.87
	CI-M3-4	247 212.90	271.07
	CI-M3-5	247 080.90	269.98
层合板CAI-M4	CI-M4-1	67 013.17	165.33	163.33	3.09	1.89
	CI-M4-2	65 419.50	161.34
	CI-M4-3	63 640.65	158.94
	CI-M4-4	67 422.31	166.29
	CI-M4-5	66 620.84	164.77

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