引言
在复合材料的损伤中，分层是典型的损伤形式，并且最为常见。目前，有许多有效的分层损伤检测方法，可以定量分析分层的面积和深度。目前对于分层损伤对复合材料力学性能影响的研究多数集中于压缩、屈曲载荷，而且对碳纤维复合材料层合板研究较多。本文作者以玻璃纤维复合材料层合板为研究对象，研究分层损伤对层合板拉伸强度的影响，开展了含分层损伤的静态拉伸试验，并结合有限元方法探究分层位置、分层面积、分层形状等综合因素对GFRP抗拉强度的影响，结果可为复合材料的维修提供参考。
01拉伸试验
1.1 试件制备及测试
试验样件采用玻璃纤维单向布LTX1240铺层，铺层方式为[0]4（0°纤维布铺4层），环氧树脂和固化剂以100:32的比例混合，真空灌注成型，固化温度为120℃，固化后的层合板厚度为3.2mm。
按照GB/T3354—2014标准采用水切割的方法将固化后的样板切割成小尺寸试件，尺寸为长250mm，宽25mm。有效样件的制作数量为5个，样件两侧粘接加强片，加强片由双轴布BX880制作。
在样件内部分层损伤的设计上，通过预埋0.01mm厚的蓝色特氟龙薄膜来模拟分层损伤，分层中心与层合板中心重合，位于第2和第3层中间，分层的尺寸为10mmx10mm。含分层的试验样件制作过程如图1。
图1. 含分层损伤试验样件
拉伸试验在MTS810液压伺服万能试验机上进行，将试件两端固定在试验机两端夹头上，参照《各向同性和正交各向异性纤维增强复合材料的试验条件》（GB/T 1040.4一2006）标准，在标准大气环境下对样件进行单轴拉伸测试，为保证拉伸过程中准静态载荷，加载速率设为2mm/min，直至试件失效，测试过程如图2所示。
图2. 测试过程
1.2 试验结果分析
根据试验采集的数据，计算试件的抗拉强度σt。计算公式为：
表1为5个样件的拉伸强度试验数据，平均拉伸强度为1266.6MPa，离散系数为2.218%，在合理范围内。无损层合板静强度为1299MPa，与无损层合板相比拉伸强度降低了2.49%，可以看出分层会降低层合板的拉伸强度，但由于分层尺寸较小，强度下降不明显。
表1. 含分层层合板拉伸强度试验数据
02数值仿真及验证
使用ABAQUS软件进行有限元分析，建立连续壳单元模型，采用Hashin准则判别层合板面内损伤，对分层损伤区域采用的起始和扩展判别方法分别为二次应力准则和B-K准则。模型的尺寸与样件尺寸相同，有限元网格划分及加载方式如图3所示，分层区域为矩形区域，周边网格加密区域为分层扩展区。
图3. 有限元网格划分
图4为样件失效前一刻的损伤因子分布对比云图，损伤集中在预制分层区域周围，在层合板预制分层的周围区域出现了纤维拉伸失效（图4a）、基体压缩失效（图4b）、基体拉伸失效（图4c），以及纤维与基体相互作用的基纤剪切失效（图4d）。图4(e)为样件A-3的失效样貌，矩形框标记为纤维失效，椭圆标记为基体和界面失效，可以清晰地看到样件的破坏形式为由基体失效带来的界面间开裂及纤维断裂，最终整体呈现为纤维拔出与界面分离破坏，失效位置主要集中在样件中部，图4(a)~4(d)的仿真结果与图4(e)试验现象相吻合。
图4. 仿真结果与试验现象对比
由于分层损伤位于样件内部，从试验现象无法直接观察损伤演变情况，因此需要进一步提取6个载荷步的预制分层及周边扩展区域失效因子云图讨论损伤演变过程，如图5(a)~5(f)所示。
随着载荷增大，分层损伤向四周损伤扩展，直至损伤扩展区域完全失效，此时还没有达到层合板最大承载能力，如图5(e)，拉伸载荷持续增加，分层区域周围的纤维承担了部分载荷并传递应力，加剧了此处的纤维损伤，与图5(g)局部放大图中的层间分层及局部纤维断裂的损伤形式吻合。
在损伤软化阶段，随着位移拉伸载荷的持续增加，分层损伤扩展区域持续扩大直至损伤单元完全删除，如图5(f)。由此，在拉伸载荷下，含预制分层的层合板失效过程复杂，是多种损伤失效模式共同作用相互影响的结果。
图5. 预制分层区域在拉伸载荷作用下的损伤演化历程
如表2所示，数值模拟计算的最终失效强度为1198.2MPa，与试验结果的误差为-5.40%，在允许误差范围内，进一步验证了有限元模型的准确性。
表2. 数值模拟与试验结果对比
03分层影响因素研究
在数值模型验证的基础上，进一步研究分层厚度位置、分层面积、分层形状对玻璃纤维单向层合板拉伸强度的影响。建立了7个模型，铺层方式为[0]12，尺寸为200mmx50mmx10.8mm。
B1~B5为正方形分层，前三个正方形分层分别位于的厚度位置为1/4、1/3、1/2处，以研究不同位置对拉伸强度的影响。B4、B5位于1/2处，尺寸分别为15mmx15mm，40mmx40mm，与B3共同探究分层大小对拉伸强度的影响。
B6为圆形分层，B7为矩形分层，面积与B3相同，且都位于1/2处。分层特征及有限元结果见表3。
表3. 分层特征及有限元结果
3.1 厚度位置
B1、B2、B3三个模型的极限强度分别为1235.2MPa、1206.8MPa、1076.3MPa。可以看出在分层尺寸及形状相同的情况下，随着分层厚度位置越靠近层合板中面，层合板的拉伸强度越小。
B1和B2均为近表层分层，拉伸强度较为接近，而B3拉伸强度减少较多，说明深度位置对拉伸强度影响较大。
3.2 分层面积
B3、B4、B5三个模型的极限强度分别为1076.3MPa、1246MPa、1033.2MPa。分层的特征形状均为正方形，其中B4面积最小，B3次之，B5面积最大，对比极限强度可以发现，当分层位于同一厚度位置时，随着分层面积的增大，极限强度逐渐下降。
3.3 相同分层面积下不同形状
B3、B6、B7三个模型的极限强度分别为1076.3MPa、1077MPa、1075.9MPa。三者的分层位置相同，分层面积相同，但极限强度基本没有差别，说明当分层形状为正方形、圆形和矩形时，分层特征对极限强度没有显著影响。
结语
本文开展了含分层玻璃纤维层合板拉伸试验，在ABAQUS软件中建立层内和层间有限元模型并进行仿真分析，与试验数据对比验证了模型的有效性。在此基础上进行了含不同特征参数分层的层合板仿真预测，同时得到以下结论：
（1）当分层尺寸相同时，分层在厚度位置越靠近层合板中面，层合板的拉伸强度越低，分层深度对拉伸载荷影响较大。
（2）处于同一厚度位置的分层，分层面积越大，极限拉伸强度越小。
（3）当分层位置与分层面积相同时，形状为正方形、圆形和矩形的分层对极限拉伸强度没有显著影响。
来源：《辽宁科技学院学报》（作者：辛雯；王仲；谷泉）
