飞机复合材料结构层间或胶结界面污染、粘接剂不均匀/老化等因素会导致“吻接”和“弱粘接”问题，而现有超声波、红外等无损检测技术无法有效检测评估。激光诱导等离子体冲击波检测界面结合强度技术 (LASAT) 是一种利用激光冲击波反射拉伸波的力学效应进行界面结合强度定量性评估的新型检测技术，可有效解决“吻接”和“弱粘接”的检测难题。纳秒激光诱导的冲击波压力大、应变率高、持续时间短，且在复合材料材料内部各方向产生不均匀的应力作用。这种不均匀短脉冲应力作用下材料的响应规律复杂，呈现出十分明显的应变率相关性，现有研究主要通过实验测试来描述不同应变率条件下复合材料的力学性能与动态响应规律以及激光参数反演，而少量数值预测模型和方法均未考虑应变率在复合材料各个方向的相关性。为此，航空动力系统与等离子体技术全国重点实验室（APPL）联合西北工业大学航空学院提出采用一种三维正交各向异性的应变率本构模型进行超高应变率冲击波在复合材料内部的传播及失效预测，并通过实验进行了科学系统验证。

 

该方法主要包含三个方面：（1）复合材料三维各向异性模量、泊松比和强度与应变率成正比且服从对数关系，实现了应力波传播规律的精确预测；（2）失效准则及损伤演化刚度折减均采用基于应变控制的策略，解决了局部单元刚度退化后应力卸载导致应变混乱的问题；（3）成功预测复合材料厚度方向精确分层损伤位置、损伤后应力波新的传播形式以及背面粒子速度的变化，并将损伤和背面粒子速度与实验进行对比验证，优化反演得到合适的压力-时间曲线峰值，对激光诱导冲击波的激光参数溯源提供了参考。

 

相关工作以“Ultrahigh-Strain-Rate-Predicting Method for Nanosecond-Laser-Induced Shock on Aeronautical Composite Materials”为题发表于国际航空航天领域权威期刊AIAA Journal。

 

 

 

图1 激光诱导冲击波检测设备与实验原理图

 

图2 激光诱导冲击波传播机理示意图

 

图3 本文实验所用复合材料检测位置与铺层信息

 

图4 激光诱导冲击复合材料的四分之一模型

 

图5 1J激光能量的模拟与实验结果：应力、应变率、应力-位置-时间关系及CT图像对比

 

图6 2J激光能量的模拟与实验结果：应力、应变率、应力-位置-时间关系及CT图像对比

 

图7 激光诱导冲击复合材料背面粒子速度

 

论文链接：

 

https://doi.org/10.2514/1.J065015

 

 

来源：复合材料力学

关键词： 复合材料 超高应变率