 复合材料具有比强度、比刚度高、材料力学性能可设计等优点，是航空结构设计的理想材料。然而复合材料对损伤极为敏感，损伤会导致复合材料层板剩余强度严重降低。复合材料开孔层板作为一种典型的结构形式，被广泛应用于许用值确定和损伤容限性能评估中，其中开孔层板压缩性能研究是层板剩余强度研究的主要关注点。到目前为止，国内外学者对复合材料开孔压缩性能进行了大量的研究。 2019年，复合材料力学Top期刊《COMPOSITE STRUCTURES》发表了西北工业大学郑锡涛教授团队在含孔复合材料层合板损伤特性方面的试验研究和有限元仿真工作，论文标题为“Damage characteristics of open-hole laminated composites subjected to longitudinal loads”，第一作者为西北工业大学航空学院张迪博士（现为西安交通大学机械工程学院助理教授）。 推荐这篇文章是因为文中试验数据和采用的损伤分析方法介绍比较全面，可以用于仿真分析模型的标的。 该论文针对两种材料体系（T800/BA9916II和CCF300/BA9916II）下的复合材料开孔板进行了拉伸和压缩试验，并建立了考虑纤维弯折（fiber kinKing）和剪切非线性（shear nonlinearity）的三维渐进损伤分析模型。在有限元仿真结果与试验结果吻合较好的基础上，研究进一步发现在拉伸或者压缩载荷下，只要任一0°层的纤维损伤扩展至试样边缘，则材料达到极限承载能力。在此基础上，该论文提出了“损伤宽度（damage width）”的概念，并指出复合材料层合板中0°层的纤维损伤宽度可以作为反映其损伤程度的指标参数。
（1）试验研究 该文首先参考ASTM D5766和ASTM D6484进行了准静态开孔拉伸和开孔压缩试验，试样尺寸为300 × 36 × 5 mm3（图1），试验过程照片如图2所示。
图1 开孔试样示意图
图2 （a）开孔拉伸试验，（b）开孔压缩试验 （2）仿真分析 随后建立了仿真分析模型，包括层内损伤和层间损伤（分层），其中层内损伤基于LaRC05失效准则（图3、图4），并考虑了剪切非线性，由VUMAT子程序引入；层间损伤基于Abaqus内嵌的Cohesive单元和双线性traction–separation 模型，有限元模型如图5所示。
图3 纤维弯折模型示意图
图4 基体压缩损伤示意图
图5 有限元模型 （3）结果讨论 图6所示为T800/BA9916II材料体系下仿真得到的开孔拉伸和开孔压缩应力应变曲线与试验结果的对比；图7和图8分别为T800/BA9916II和CCF300/BA9916II两种材料体系下开孔拉伸和开孔压缩破坏模式与试验结果的对比，可以看出有限元分析结果与试验结果吻合良好。
图6 T800/BA9916II材料体系下（a）开孔拉伸和（b）开孔压缩仿真结果与试验结果的对比
图7 T800/BA9916II复合材料层合板破坏模式（a）开孔拉伸和（b）开孔压缩
图8 CCF300/BA9916II复合材料层合板破坏模式（a）开孔拉伸和（b）开孔压缩 图9所示为损伤宽度的定义，即0°层纤维损伤区域两点之间的最大距离。图10所示为T800/BA9916II复合材料层合板（a）开孔拉伸和（b）开孔压缩过程中0°层损伤宽度随载荷的变化曲线。从图中可以看出0°层损伤宽度与试样承受的载荷成正相关，当载荷到达极限值时，0°层损伤宽度扩展至试样边缘，及损伤宽度为36mm。
图9 损伤宽度的定义
图10 T800/BA9916II复合材料层合板（a）开孔拉伸和（b）开孔压缩过程中0°层损伤宽度随载荷的变化曲线 图11和图12给出了T800/BA9916II复合材料层合板在开孔拉伸和压缩过程中不同层的损伤演化过程，从图中可以看出，开口拉伸试验中首先出现基体拉伸损伤，0°层的纤维损伤几乎垂直于加载方向呈直线传播，而基体损伤呈扇形扩散；在开口压缩试验中，0°层中的纤维损伤也呈直线传播，唯一的区别是基体损伤的程度小于开口拉伸试验中的损伤，因为其主要损伤是纤维扭结和分层。由此得出，0°层损伤宽度对材料强度的表征最为明显。CCF300/BA9916II试样也显示出了相同的损伤特性。
图11 T800/BA9916II复合材料层合板在开孔压缩过程中的损伤演化
图12 T800/BA9916II复合材料层合板在开孔拉伸过程中的损伤演化 该文充分解释了含孔复合材料层合板的损伤特性及损伤机制是提高复合材料结构设计效率的前提。提出了一种考虑纤维弯折和剪切非线性的三维渐进损伤模型，该模型有效的预测了含孔复合材料在不同载荷下的极限强度和破坏模式。同时引入损伤宽度的概念，阐述了受力过程中0°层的纤维损伤宽度与载荷的关系，并推荐使用0°层的损伤来代表复合结构的损伤程度。研究结论在复合材料损伤检测、剩余强度分析以及复合材料结构的损伤容限设计等领域有重要的应用价值。 原始文献：Di Zhang, Xitao Zheng, Tianchi Wu,Damage characteristics of open-hole laminated composites subjected to longitudinal loads,Composite Structures,Volume 230,2019,111474,ISSN 0263-8223,https:///10.1016/j.compstruct.2019.111474.
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