全 文 ：第３１卷　第５期
Ｖｏｌ．３１　Ｎｏ．５
材　料　科　学　与　工　程　学　报
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
总第１４５期
Ｏｃｔ．２０１　３
文章编号：１６７３－２８１２（２０１３）０５－０７２３－０５
低速冲击作用下泡桐木夹层梁界面分层损伤机理
龚海亮，刘伟庆，万　里，余　轶
（南京工业大学土木工程学院，先进工程复合材料研究中心，江苏 南京　２１１８１６）
　　【摘　要】　纤维增强复合材料泡桐木夹层梁在使用过程中不可避免地会遭受各种各样的低速冲击
作用而发生损伤，直接影响其剩余承载性能，本文假定泡桐木芯材在低速冲击作用下，会发生分层连续
屈曲破坏，同时结合理想弹塑性地基理论，建立了泡桐木夹层梁相应的界面分层损伤数值模型。基于该
模型，以塑性变形为参数计算了低速冲击时最大接触力的大小，并与试验结果相对比，误差在合理范围
之内。
【关键词】　低速冲击；泡桐木夹层梁；分层损伤；最大冲击接触力
中图分类号：ＴＢ３３；ＴＵ４１　　　　文献标识码：Ａ
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ　Ｄａｍａｇｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　Ｐａｕｌｏｗｎｉａ　Ｗｏｏｄ
Ｓａｎｄｗｉｃｈ　Ｂｅａｍｓ　ｕｎｄｅｒ　Ｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｉｍｐａｃｔ
ＧＯＮＧ　Ｈａｉ－ｌｉａｎｇ，ＬＩＵ　Ｗｅｉ－ｑｉｎｇ，ＷＡＮ　Ｌｉ，ＹＵ　Ｙｉ
（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｏｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１１８１６，Ｃｈｉｎａ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】　Ｄｕｒｉｎｇ　ｅｍｐｌｏｙｍｅｎｔ，ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐａｕｌｏｗｎｉａ　ｗｏｏｄ　ｓａｎｄｗｉｃｈ　ｂｅａｍｓ　ｉｎｅｖｉｔａｂｌｙ　ｓｕｆｆｅｒ　ｆｒｏｍ
ｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｍｐａｃｔ，ｔｈｕｓ　ｌｅａｄｉｎｇ　ｔｏ　ｂｅａｍ　ｄａｍａｇｅ　ａｎｄ　ｎｅｇａｔｉｖｅｌｙ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅｉｒ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｓ
ｗｌ．Ａｓｓｕｍｉｎｇ　ｐａｕｌｏｗｎｉａ　ｗｏｏｄ　ｃｏｒｅ　ｔｏ　ｂｅ　ｌａｙｅｒ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｍｐａｃｔ，ａｎｄ
ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ，ａ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｗｏｏｄ　ｃｏｒｅ　ｗａｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ
ａｓ　ａｎ　ｉｄｅａｌ　ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆｏｒｃｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｌｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｍｐａｃｔ　ｗａｓ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ
ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ
ｒｅｓｕｌｔｓ　ｆａｌ　ｏｎ　ａｎ　ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ　ｒａｎｇｅ．
【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】　ｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｍｐａｃｔ；ｐａｕｌｏｗｎｉａ　ｗｏｏｄ　ｓａｎｄｗｉｃｈ　ｂｅａｍｓ；ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｄａｍａｇｅ；ｍａｘｉｍｕｍ
ｉｍｐａｃｔ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆｏｒｃｅ
收稿日期：２０１３－０３－２９；修订日期：２０１３－０５－２８
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２３８００３，５１２０８２５１）
作者简介：龚海亮（１９８８－），男，硕士，从事工程复合材料研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｏｎｇｚｕｏｇｈｌ＠１６３．ｃｏｍ。
通讯作者：刘伟庆（１９６４－），男，教授，博导，从事工程复合材料、结构振动控制研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｑｌｉｕ＠ｎｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
１　引　言
夹层梁作为复合材料的一种重要结构形式，自诞
生以来，就以其比强度和比模量高、耐高温、耐疲劳、耐
腐蚀、抗振吸能性好、可设计性强［１］等优点，而广泛应
用于国民经济的各个领域。工程上常用的复合材料夹
层梁是指通过粘结剂（树脂）将上层面板、芯材以及下
层面板依次相连而共同工作的结构形式：外层的面板
一般采用高强度、高模量的金属或纤维增强复合材料
制造，主要用来承受拉应力和压应力；中间的芯材一般
采用强度较低且具有一定厚度的低密度材料制造，如
人造峰窝、聚合物泡沫、轻质木材等，支撑面板的同时，
主要用来承受剪应力，并为夹层结构提供足够的截面
惯性矩和抗弯刚度［２，３］。
将泡桐木作为芯材与纤维增强复合材料面层结合
DOI:10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2013.05.020
制成夹层结构构件，就可以克服强度不足的缺陷，充分
发挥其质轻而韧的特点。高速冲击通常会造成明显的
可见损伤，容易及时发现与修补；而低速冲击造成的损
伤往往难以察觉，有时甚至只会造成不可见损伤，从表
面并不能发现明显的破坏，但其后果可能是相当严重
的，直接影响了结构构件的剩余承载性能。
戚东涛［４］在研究纤维增强复合材料多轴疲劳性能
的过程中发现：由于纤维复合材料各向异性，在疲劳试
验中通常首先出现基体开裂，然后裂纹沿纤维方向逐
步扩展，最终形成界面脱粘损伤。同样，面－芯粘结界
面作为复合材料夹层结构最薄弱的环节，其界面性能
与其抗冲击性能也密切相关。因此，对冲击界面分层
损伤机理的研究十分必要。Ｄａｎ　Ｚｅｎｋｅｒｔ等［５］结合
Ｗｉｎｋｌｅｒ地基模型研究了泡沫夹层梁的准静态压痕和
卸载反应；Ｘｉｅ　Ｚｏｎｇｈｏｎｇ等［６］研究指出：在低速冲击
作用下，蜂窝夹层的损伤呈一种局部扩展模式；徐朝
阳［７］通过对木质蜂窝夹芯结构进行平压试验，发现其
呈现类似屈曲铰的连续折叠破坏。本文假定泡桐木芯
材在低速冲击作用下会发生近似分层连续屈曲的破坏
模式，结合理想弹塑性地基理论，建立相应的界面分层
损伤数值模型，预测最大冲击接触力，研究冲击接触、
损伤特性。
２　芯材冲击压缩响应
２．１　泡桐木芯材特性
图１　泡桐木芯材电镜扫描照片
Ｆｉｇ．１　ＳＥＭ　ｏｆ　ｐａｕｌｏｗｎｉａ　ｗｏｏｄ
泡桐木是一种密度较低的轻质木材，其气干密度
约为０．２３～０．３０ｇ／ｃｍ３。通过电镜扫描照片可以发
现：泡桐木芯材木质纤维与航天航空领域使用较多的
人造蜂窝夹芯相似，呈天然蜂窝孔状，但孔径要小得
多，介于２５～３０μｍ之间，属于致密材料，如图１所示。
所以，在低速冲击作用下泡桐木芯材兼具人造蜂窝夹
芯和泡沫夹芯的双重特性。基于国内外对蜂窝夹芯和
泡沫夹芯的单轴压缩特性的研究，同时结合复合材料
夹层结构芯材局部小能量低速冲击损伤特性，提出泡
桐木在低速冲击作用下的分层连续屈曲破坏机制
假设。
２．２　分层连续屈曲模型
假设泡桐木在冲击压缩作用下的理想弹塑性应
力－应变模型如图２所示，可以分为明显的三个阶段：
弹性阶段、屈曲坍塌阶段和致密化阶段。
弹性阶段：随着载荷的增大，天然蜂窝孔壁由于失
稳产生弯曲变形，应力－应变基本呈线性变化，卸载后
弯曲变形可完全恢复，泡桐木芯材经历线弹性变形达
到弹性极限应变εｐ；屈曲坍塌阶段：当达到屈曲极限荷
载后，由于蜂窝孔壁发生不能完全恢复的屈曲变形，蜂
窝开始出现塑性坍塌，并呈现分层连续屈曲的坍塌模
式，当上一层孔壁屈曲压实后，下一层孔壁才由弹性阶
段发生屈曲而后压实。这个过程只存在很小的波动，
可以近似为一个平台区段，即保持恒定的压缩平衡应
力σｐ，而应变持续增加，对应着天然蜂窝孔壁的皱褶
吸能，直至整个芯材厚度上的蜂窝壁完全坍塌；致密化
阶段：随着压缩载荷的增大，泡桐木芯材完全坍塌压
实，进入致密化阶段，此时的压实应变为εｄ，之后泡桐
木芯材的密度硬度增加，任何微小的应变都会导致应
力迅速增长。卸载后，有残余应变εｒ。
图２　泡桐木理想弹应力－应变模型
Ｆｉｇ．２　Ｉｄｅａｌ　ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ　ｍｏｄａｌ　ｏｆ　ｐａｕｌｏｗｎｉａ　ｗｏｏｄ
３　面－芯界面分层机理
在实际低速冲击过程中，冲头下芯材的应力应变
分布并不均匀［８］，冲击接触的时间也极短，为毫秒级，
变形大致由冲击点呈圆形向四周扩散。因此，可以将
冲击过程等效为一个平面准静态静压过程。本文为分
析冲击过程中的界面问题，假定在整个冲击过程中，面
板并没有发生破坏，夹层梁底部刚性支撑，泡桐木芯材
的冲击压缩响应符合分层连续屈曲破坏机制假设。
３．１　弹性阶段
此阶段模型如图３所示，当面板承受载荷产生挠
·４２７· 材料科学与工程学报 ２０１３年１０月
度时，模拟弹性地基的芯材会对面板提供与面板挠度
成正比的反向支持力。
图３　完全弹性地基模型
Ｆｉｇ．３　Ｐｅｒｆｅｃｔ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｍｏｄａｌ
这里，ｑ和面板的挠度ｕ成正比，即：
ｑ（ｘ）＝ｋｕｅ（ｘ） （１）
其中的比例常数ｋ称为地基模量，这里忽略法向应力
随芯材厚度的变化，取：
ｋ≡
Ｅｃ
ｔｃ
（２）
Ｅｃ为芯材的杨氏弹性模量，ｔｃ为芯材厚度。
截取弯曲面板的一段微元体，得到平衡方程：
ｄＶｄｘ＝ｄ　Ｍ （３）
ｄＶ ＝ｑ（ｘ）ｄｘ （４）
　　由经典梁理论得：
Ｍ ＝－ＥｆＩｆ
ｄ２　ｕｅ（ｘ）
ｄｘ２
（５）
其中，Ｅｆ 是面板的杨氏弹性模量，面板的惯性矩Ｉｆ＝
ｔ３ｆ／１２。
由（３）、（４）、（５）得：
ｄ４　ｕｅ（ｘ）
ｄｘ４ ＝－
ｑ（ｘ）
ＥｆＩｆ
（６）
代入（１）得通解：
ｕｅ（ｘ）＝ （Ａ１ｅαｘ ＋Ａ２ｅ－αｘ）ｃｏｓ（αｘ）＋
（Ａ３ｅαｘ ＋Ａ４ｅ－αｘ）ｓｉｎ（αｘ） （７）
α＝ ｋ４ＥｆＩ（ ）ｆ
１／４
（８）
其中，Ａ１ 、Ａ２ 、Ａ３ 和Ａ４ 是未定常量。
边界条件：
ｕｅ（ｘ）ｘ→∞＝０；
ｕ′ｅ（ｘ）ｘ＝０＝０；
∫
∞
０
ｋｕｅ（ｘ）ｄｘ＝ Ｐ２
得出解：
ｕｅ（ｘ）＝Ｐαｅ
－αｘ
２ｋ
［ｓｉｎ（αｘ）＋ｃｏｓ（αｘ）］ （９）
　　荷载作用点的面板挠度：
ｕｅ（０）＝Ｐα２ｋ
（１０）
　　当满足条件ｕｅ（０）＝εｐｔｃ时，地基开始产生塑性变
形（芯材压塌），得到此时芯材发生塑性变形的最大接
触力Ｐｐ：
Ｐｐ ＝
２ｋεｐｔｃ
α ＝
２Ｅｃεｐ
α
（１１）
而εｐ＝σｐ／Ｅｃ，所以：
Ｐｐ ＝
２σｐ
α
（１２）
３．２　弹塑性阶段
此阶段模型如图４所示，在荷载作用下，地基局部
发生塑性变形，产生恒定的反向支持力σｐ，图中的λ为
塑性区长度。
图４　弹塑性地基模型
Ｆｉｇ．４　Ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｍｏｄａｌ
塑性区：｜ｘ｜＜λ
ｑ（ｘ）≡σｐ （１３）
　　由微元段分析，得：
ｄ４　ｕｐ（ｘ）
ｄｘ４ ＝－
σｐ
ＥｆＩｆ
（１４）
通解：
ｕｐ（ｘ）＝－ σｐ
ｘ４
２４ＥｆＩｆ
＋Ｂ１ｘ
３
６＋Ｂ２
ｘ２
２＋Ｂ３ｘ＋Ｂ４
（１５）
其中Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３ 和Ｂ４ 是未知常数。
弹性区：ｘ ≥λ
参照完全弹性地基的通解得：
ｕｅ（ｘ）＝Ｐαｅ
－α（ｘ－λ）
２ｋ
［ｓｉｎ（α（ｘ－λ））＋
ｃｏｓ（α（ｘ－λ））］ （１６）
　　边界及连续性条件：
ｕｐ（ｘ）ｘ＝λ＝ｕｅ（ｘ）ｘ＝λ＝εｐｔｃ ＝σｐＥｃ
ｔｃ
ｕ′ｐ（ｘ）ｘ＝λ＝ｕ′ｅ（ｘ）ｘ＝λ
ｕ″ｐ（ｘ）ｘ＝λ＝ｕ″ｅ（ｘ）ｘ＝λ
ｕｐ（ｘ）ｘ＝０＝ Ｐ２ＥｆＩｆ
ｕ′ｐ（ｘ）ｘ＝０＝０
解得：
·５２７·第３１卷第５期 龚海亮，等．低速冲击作用下泡桐木夹层梁界面分层损伤机理
Ｂ１ ＝ Ｐ２ＥｆＩｆ
（１７）
Ｂ２ ＝２σｐλ
２－３Ｐλ
１２ＥｆＩｆ
（１８）
Ｂ３ ＝０ （１９）
Ｂ４ ＝σｐｔｃＥｃ －
σｐλ４－Ｐλ３
２４ＥｆＩｆ
（２０）
Ｐ＝ ４ασｐλ
２
３αλ＋３
（２１）
　　对于半球形冲头，此时对应的冲击接触力Ｐ′为：
Ｐ′＝πｒ２　Ｐ （２２）
其中，ｒ为有效冲击接触弧面的投影半径。
３．３　面－芯界面分离
对复合材料层合板而言，由于相邻纤维铺层的铺
角不同，造成应力和刚度分配不均匀，使得在冲击作用
下由张力波产生的沿厚度方向的基体裂纹在相邻纤维
之间的薄弱层发生转向，形成分层。而在纤维增强复
合材料夹层梁中，由于面板、芯材的弹性模量、强度、刚
度的不同，面－芯粘结界面才是其最薄弱环节，在低速
冲击载荷的作用下，很容易发生界面脱层损伤。因此，
在研究复合材料夹层梁的冲击损伤时可以忽略纤维增
强复合材料面板中相邻铺层之间的分层损伤，而把纤
维增强复合材料面板作为一个整体进行分析。这样，
复合材料夹层梁的低速冲击损伤的宏观表现形式主要
可以分为可见损伤（面板破坏、芯材压溃）和不可见损
伤（面－芯粘结界面破坏）。
由前面弹塑性阶段的分析可知，对｜ｘ｜＜λ的塑
性区，压塌的泡桐木芯材对应着压实应变εｄ，在压塌
区域下的泡桐木芯材达到弹性极限应变εｐ ；对｜ｘ｜≥
λ的弹性区，泡桐木芯材仍为弹性应变；在｜ｘ｜＝λ处，
整个泡桐木夹芯厚度上均达到弹性极限应变εｐ，面板
的挠度为ｕ（λ）＝εｐｔｃ。
卸载后，弹性面板的变形完全恢复，即面板的挠度
ｕ＝０，当面板与芯材分离后，芯材中弹性变形部分变
形完全恢复至零应变状态，而坍塌压实部分的芯材则
由于应力松弛而保留残余应变εＲ，这样就在面板与芯
材之间产生空隙，形成小能量低速冲击对泡桐木夹层
梁造成的不可见损伤。
４　验证分析
纤维增强复合材料夹层结构不同于任一种单一的
匀质材料，其不同材料之间以及同种材料不同铺角的
相邻铺层之间的各向异性都决定了其研究的复杂性。
事实证明，试验是研究纤维增强复合材料冲击特性的
最直观、最有效的方法。
４．１　低速冲击试验
低速冲击试验参照美国材料与试验协会标准
ＡＳＴＭ　Ｄ７１３６Ｍ－２００７［９］，采用ＤＴＭ１２０３落锤冲击实
验系统，试验装置如图５所示，半球形冲头，质量
４．５ｋｇ，直径１６ｍｍ。
冲击试样均采用真空导入工艺制作，如图６所示，
试件长×宽为１５０×１００ｍｍ，横纹泡桐木芯材，厚度
４０ｍｍ，面板是由４层（０，９０）铺设的密度为８００ｇ／ｍ２
玻璃纤维布和乙烯基树脂复合而成。试验过程中通过
调节冲头下落的高度分别为１０００ｍｍ、１２００ｍｍ 和
１４００ｍｍ来模拟不同的冲击能量。通过冲击试验机的
数据采集器，分别测定冲击过程中的接触力、冲头位移
和冲击能量与时间的关系，用以确定损伤产生和扩展
过程［１０］，低速冲击试验结果如图７和表１所示。
图５　低速冲击试验装置
Ｆｉｇ．５　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｏｆ　ｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｍｐａｃｔ　ｔｅｓｔ
图６　真空导入工艺
Ｆｉｇ．６　Ｖａｃｕｕｍ　ｉｎｆｕｓｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ
图７　低速冲击荷载－位移曲线
Ｆｉｇ．７　Ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｍｐａｃｔ　ｔｅｓｔ
·６２７· 材料科学与工程学报 ２０１３年１０月
表１　低速冲击试验结果
Ｔａｂｌｅ　１　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｍｐａｃｔ
Ｄｒｏｐ
ｈｅｉｇｈｔ
／ｍｍ
Ｉｍｐａｃｔ
ｖｅｌｏｃｉｔｙ
／ｍ·ｓ－１
Ｍａｘ．
ｉｍｐａｃｔ
ｆｏｒｃｅ／ｋＮ
Ｔｏｔａｌ
ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
／ｍｍ
Ｔｏｔａｌ
Ｅｎｅｒｇｙ
／Ｊ
１０００　 ４．３４　 ３．００４４　 ６．２９　 ２０．９６２
１２００　 ４．７５　 ３．０９８５　 ６．７４　 ２１．７２６
１４００　 ５．１２　 ３．２１９２　 ７．３６　 ２２．４５６
４．２　理论计算对比
通过弯曲、平压等试验测试泡桐木夹层梁面板和
芯材的基本材料力学性能，获得理论计算所需的相关
参数，如表２所示。
表２　泡桐木夹层梁材料特性
Ｔａｂｌｅ　２　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｐａｕｌｏｗｎｉａ
ｗｏｏｄ　ｓａｎｄｗｉｃｈ　ｂｅａｍｓ
Ｅｆ／ＭＰａ　 ｔｆ／ｍｍ　 Ｅｃ／ＭＰａ　 ｔｃ／ｍｍ σｐ／ＭＰａ
１４７７９　 ２．５　 １４６９　 ４０　 ２．５４
　　根据低速冲击试验中泡桐木芯材的塑性损伤变形
情况，代入以上给出的材料性能参数，分别计算跌落高
度为１０００ｍｍ、１２００ｍｍ和１４００ｍｍ时的最大冲击接
触力，理论解与试验值的对比如表３所示。
表３　冲击接触力实测值与理论值对比
Ｔａｂｌｅ　３　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ
ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｉｍｐａｃｔ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆｏｒｃｅ
Ｄｒｏｐ
ｈｅｉｇｈｔ／ｍｍ
Ｍａｘ　Ｉｍｐａｃｔ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｆｏｒｃｅ／ｋＮ
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　 Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ
Ｄｉｓｃｒｅｐａｎｃｙ／％
１０００　 ３．００４４　 ３．２２１　 ７．２１
１２００　 ３．０９８５　 ３．３８６　 ９．２８
１４００　 ３．２１９２　 ３．４９７　 ８．６３
　　理论计算值与试验值相比总体偏大，但误差在合
理范围内，这与预期结果是相符的。因为，在理论计算
中是将半球形冲头上的冲击力等效为在有效冲击接触
弧面投影圆上，以冲击点处的冲击力均匀分布的圆柱
形冲头进行计算的，而事实上有效接触弧面上的冲击
力并不是完全相同的。此外，在冲击过程中，纤维复合
材料面板并非是完好无损的，有很少部分的纤维发生断
裂，造成面板刚度退化，这也是产生误差的主要原因。
５　结　论
泡桐木纤维呈小孔径天然蜂窝孔状，在低速冲击
作用下，泡桐木芯材的冲击压缩响应兼具人造蜂窝和
泡沫双重特性，适用于分层连续屈曲破坏机制假设。
低速冲击损伤呈局部损伤扩展模式，利用理想弹塑性
地基理论，可以近似建立理想环境条件下泡桐木夹层
梁低速冲击分层损伤数值模型，基于该模型以泡桐木
芯材的塑性变形情况反推了相应的冲击接触力，但由
于冲击情况和各项异性材料本身的复杂性，以及理论
计算理想假设环境与现实试验状况的差异，试验结果
与理论计算存在一定的误差。
参 考 文 献
［１］　Ｄａｖｉｓ　ＪＭ．Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ　ｓａｎｄｗｉｃｈ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ
Ｂｌａｃｋｗｅｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｌｔｄ，２００１，２～４．
［２］　Ａｖｉｌｅｓ　Ｆ．Ｌｏｃａｌ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｅｂｏｎｄ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｓａｎｄｗｉｃｈ
ｃｏｌｕｍｎｓ　ａｎｄ　ｐａｎｅｌｓ［Ｄ］． Ｂｏｃａ　Ｒａｔｏｎ： Ｆｌｏｒｉｄａ　Ａｔｌａｎｔｉｃ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００５．
［３］　戚东涛，程光旭．纤维增强复合材料多轴疲劳的实验研究［Ｊ］．
材料科学与工程学报，２００７，２５（１）：５～８．
［４］　方海，刘伟庆，陆伟东，万里．泡桐木夹层结构材料的力学性能
［Ｊ］．南京工业大学学报，２０１１，３３（５）：７～１２．
［５］　Ｄａｎ　Ｚｅｎｋｅｒｔ，Ａｎｄｒｅｙ　Ｓｈｉｐｓｈａ，Ｋａｒｌ　Ｐｅｒｓｓｏｎ．Ｓｔａｔｉｃ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ
ａｎｄ　ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｓａｎｄｗｉｃｈ　ｂｅａｍｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　Ｐａｒｔ
Ｂ：Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４，３５（１５）：５１１～５２２．
［６］　Ｘｉｅ　Ｚｏｎｇｈｏｎｇ，Ａｎｔｈｏｎｙ　Ｊ．Ｖｉｚｚｉｎｉ，Ｔａｎｇ　Ｑｉｎｇｒｕ．Ｏｎ　ｒｅｓｉｄｕａｌ
ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｓａｎｄｗｉｃｈ　ｐａｎｅｌｓ
ａｆｔｅｒ　ｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｍｐａｃｔ　ｄａｍａｇｅ［Ｊ］．Ａｃｔａ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａ　Ｓｏｌｉｄａ
Ｓｉｎｉｃａ，２００６，１９（１）：９～１７．
［７］　徐朝阳．木质复合蜂窝夹芯材料性能的研究［Ｄ］．南京：南京林
业大学，２００７．
［８］　谭富年．复合材料泡沫夹层结构低速冲击后的面内力学性能研
究［Ｄ］．上海：上海交通大学，２０１２．
［９］　ＵＳ：Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｓｔａｎｄａｒｄ　ｔｅｓｔ
ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ａ　ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ
ｐｏｌｙｍｅｒ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｔｏ　ａ　ｄｒｏｐ－ｗｅｉｇｈｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｅｖｅｎｔ［Ｓ］．
ＡＳＴＭ．Ｄ７１３６，２００７．
［１０］　张颖军，梅志远，朱锡．ＦＲＰ层合板低速冲击损伤特性研究现
状与展望［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（１）：５２～
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５８．
（上接第７１４页）
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