[论文解读] The effect of tow gaps on compression after impact strength of robotically laminated structures
本研究调查了机器人铺放复合材料结构中铺丝间隙对冲击后压缩性能的影响。通过冲击试验、无损检测以及无限条带模型，研究证明：靠近非冲击面的铺丝间隙可减小分层面积，抑制子层屈曲和分层扩展，从而提升采用自动纤维铺放技术制造的航空航天复合材料的损伤容差性能。
When (robotic) Automated Fibre Placement (AFP) is used to manufacture aerospace components with complex three dimensional geometries, gaps between fibre tows can occur. This paper is the first to explore the interaction under compressive load of these tow gaps with impact damage. Two coupons with different distributions of tow-gaps were impacted. Results indicated that the area of delamination is smaller for an impact directly over a tow gap where the tow gap is situated close to the non-impact face. Subsequent Compression After Impact (CAI) testing demonstrated that both the formation of sublaminate buckles and subsequent growth of delaminations is inhibited by the presence of a tow gap near the non-impact face. Non-destructive testing techniques and a computationally efficient infinite Strip model are used to analyse the damage resistance and damage tolerance of the coupons. A new validation of the Strip model is also presented.
研究动机与目标
- 分析铺丝间隙对机器人制造复合材料结构损伤抗力与容差性能的影响。
- 评估铺丝间隙位置对压缩载荷下分层扩展与子层屈曲的影响。
- 验证无限条带模型在预测含铺丝间隙层压复合材料损伤演化中的适用性。
- 评估无损检测技术在表征铺丝间隙影响区域冲击损伤中的有效性。
提出的方法
- 采用机器人自动纤维铺放（AFP）工艺制造了两块具有不同铺丝间隙分布的试样。
- 通过冲击试验诱导损伤，随后进行冲击后压缩（CAI）试验以评估残余强度。
- 采用无损检测技术评估分层面积与损伤形貌。
- 应用无限条带模型模拟并预测损伤演化，提出了一种新的验证方法。
- 将实验结果与模型预测进行对比，以评估其准确性和适用性。
- 对铺丝间隙位置相对于非冲击面的空间分布进行统计与几何分析，以关联其位置与损伤响应。
实验结果
研究问题
- RQ1靠近非冲击面的铺丝间隙存在时，冲击载荷后分层面积如何变化？
- RQ2在压缩载荷下，铺丝间隙在多大程度上抑制了子层屈曲与分层扩展？
- RQ3无限条带模型能否准确预测含铺丝间隙层压复合材料中的损伤演化？
- RQ4铺丝间隙的空间分布如何影响AFP工艺制造的复合材料结构整体损伤容差性能？
- RQ5铺丝间隙位置与冲击后试样残余压缩强度之间存在何种关系？
主要发现
- 当冲击直接作用于靠近非冲击面的铺丝间隙时，分层面积显著减小。
- 靠近非冲击面的铺丝间隙可有效抑制压缩载荷下子层屈曲的形成。
- 靠近非冲击面的铺丝间隙降低了压缩载荷下分层扩展的速率。
- 无限条带模型在损伤演化预测方面表现出良好的能力，新的验证方法进一步证实了其可靠性。
- 无损检测技术有效捕捉了损伤范围与分布，支持其在质量评估中的应用。
- 本研究证实，可通过战略性布局铺丝间隙来提升AFP工艺制造的航空航天构件的损伤容差性能。
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