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复合材料在航空航天、汽车和体育等领域应用广泛，但易受冲击载荷影响，导致结构损伤。斜挖补是一种重要的修复技术，可恢复损伤结构的强度和刚度。然而，目前对 斜挖修复复合材料层压板 (scarf-repaired laminate；SRL) 在高速冲击 (high-velocity impact；HVI) 下的行为研究较少。现有研究主要集中在 SRL 的静态性能或低速冲击行为，缺乏对 HVI 的研究。此外，SRL 在 HVI 下的失效机制和能量吸收特性尚不清楚。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由清华大学工程力学系应用力学实验室及国营芜湖机械厂的研究团队完成的有关斜挖补修复复合材料层压板的高速冲击行为的研究成果。该研究系统地调查了高速冲击下 scarf 修复复合材料层压板的穿透阻力和失效机制，为复合材料结构中损伤修复的设计和工程应用提供了理论和实践见解。论文标题为“High-velocity impact behavior of scarf-repaired composite laminates”。
该研究分析了碳纤维增强聚合物（CFRP）复合层压板，并建立了完整层压板（intact laminates；IL）和搭接修复层压板（SRL）的几何模型。SRL由母板、修补片和胶粘层组成。该研究使用基于应变的三维Hashin失效准则来模拟纤维和基体的失效，并使用非线性剪切损伤模型来描述纤维-基体剪切失效。此外，该研究还使用了基于双线性牵引-分离定律的粘聚单元来模拟复合材料层压板相邻层之间的层间分层。最后，该研究使用了Cowper-Symonds模型来考虑结构胶粘剂在应变率影响下的塑性流动行为。
图1 完整层压板（IL）和搭接修复层压板（SRL）的配置。
图2 斜向冲击示意图。
研究人员通过用户定义材料子程序（VUMAT）将速率相关的损伤模型实现到ABAQUS/Explicit中。为了评估所开发的损伤模型的性能，研究人员对完整层压板（IL）进行了高速度冲击（HVI）模拟，包括不同速度和角度的正向和斜向冲击。模拟结果与Xie等人 的HVI实验结果进行了比较。
模拟设置包括网格划分、单元类型、边界条件和接触条件等。
图3 完整层压板（IL）和搭接修复层压板（SRL）的有限元模型和边界条件。
研究分析了不同冲击角度下IL和SRL的弹道极限和能量吸收特性。结果表明，SRL的弹道极限低于IL，说明搭接修复会降低层压板的穿透阻力。此外，SRL在斜向冲击下的穿透阻力优于正向冲击，并且随着冲击角度的增加，穿透阻力进一步增强。在相同冲击速度下，SRL吸收的能量少于IL。层压板在斜向冲击中吸收的能量通常高于正向冲击，并且随着冲击角度的增加，吸收的能量也更多。
图4 完整层压板（IL）在高速度冲击（HVI）过程中的HVI和穿透过程。
图5 搭接修复层压板（SRL）在高速度冲击（HVI）过程中的HVI和穿透过程。
该研究考察了搭接角度对SRL冲击性能的影响。结果表明，搭接角度越小，SRL的穿透阻力越好，胶粘层损伤面积越小，并且对修补片与母板之间脱粘的抵抗力也更好。
作者还分析了不同冲击位置对SRL穿透阻力和损伤机制的影响。当冲击位置从修补片中心移向母板时，能量吸收增加，分层面积扩大。损伤行为也随着冲击位置的变化而变化，从修补片向母板过渡。
图6 高速度冲击（HVI）系统的高速度冲击（HVI）模型的有限元模型和不同冲击位置的吸收能量（EAB）和分层面积（DA）。
图7 SRL在不同冲击位置高速度冲击（HVI）后的损伤轮廓图。
该研究开发了一个计算框架，用于模拟 SRL 在不同角度的 HVI 响应，并准确预测其穿透阻力和失效模式。研究结果表明，SRL 的穿透阻力低于 IL，且斜挖补角度和冲击位置对其穿透阻力和损伤机制有显著影响。
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