湿热环境下复合材料层合板低速冲击及其剩余压缩
性能研究
摘要
复合材料具有的比强度高、密度低、比模量大耐疲劳性能好以及易于加工
成型等优良特性，被广泛应用于航天航空、汽车及船舶等诸多领域。目前常用
的碳纤维增强复合材料为层合结构，容易在冲击荷载下产生分层损伤。而且，
复合材料在服役过程中容易受到环境影响，尤其是温度与湿度的影响。因此对
复合材料层合板开展湿热条件下的低速冲击及其冲击后剩余压缩性能的研究是
十分必要的。
本文设计了两种铺层方式的复合材料层合板试件([±45/02/45/02/90/-45/0]s
和[±45/0/90/03/90/0/±45]s)。首先，将试件分为冲击后湿热老化试件和冲击前
湿热老化试件，冲击能量分别为10J和15J，湿热老化的条件为60℃水浴，分
别进行500h、1000h和2000h湿热老化处理，并采用超声C扫描检测试件的内
部损伤程度。然后，将冲击后试件进行冲击后压缩性能测试，测试过程用数字
图像技术（DIC）监测，分析试件的压缩破坏过程以及剩余压缩强度。最后，
使用Abaqus有限元软件建模，通过热传导模块模拟复合材料层合板在60℃水
浴条件下湿热老化的过程；建立内聚力模型和渐进损伤模型，并通过有限元软
件Abaqus中内置的预定义场设置实现常温下冲击-压缩全过程模拟。
研究结果表明，在同一湿热老化条件和同一铺层方式条件下，先冲击后进
行湿热老化试件的吸湿速率比先进行湿热老化试件的吸湿速率更快。湿热老化
后当以相同的能量冲击试件时，湿热老化时间越长，冲击损伤区域越大；在相
同铺层条件下，冲击能量越大，冲击损伤区域越大。在同一铺层方式下相同冲
击能量冲击后，湿热老化时间越长，试件的剩余压缩荷载越小；在相同老化时
长相同铺层方式下，冲击能量越大，试件的剩余压缩荷载越小。
关键词复合材料层合板；湿热老化；冲击后压缩性能；渐近损伤
I
Abstract
Compositematerialshaveexcellentcharacteristicssuchashighspecificstrength,
lowdensity,highspecificmodulus,goodfatigueresistance,easyprocessingand
shaping,andarewidelyusedinmanyfieldssuchascivilengineering,automotiveand
shipbuildingmanufacturing,aerospace,andmore.Thecommonlyusedcarbonfiber
reinforcedcompositematerialsarelaminatedstructures,andthearrangementof
carbonfibersisconcentratedinthein-planedirection.Therefore,thestrengthinthe
normaldirectionmainlydependsontheresinmatrix,andthein-planestrengthismuch
higherthantheinterfacestrength,whichispronetodamageunderimpactloads.
Compositematerialsareeasilyaffectedbyenvironmentalfactorsduringservice,
especiallytemperatureandhumidity.Therefore,researchontheimpactprocessof
compositelaminatesalsoneedstoconsidertheeffectsoftemperatureandh