摘要
自动纤维铺放（AFP）工艺能够有效制造大型复合材料构件，但在铺放过程中因为丝束末端等断面而出现不同角度内嵌缺陷。为解决相关问题，按照[(90°/0°)5/90°]和[(0°/90°)5/0°]的铺层顺序，在0°和90°铺层内分别设置不同丝束末端角度的孔隙缺陷或重叠缺陷。结果表明:不同角度纤维铺层内嵌不同角度缺陷时，导致复合材料构件差异明显。在90°纤维铺层方向上，内嵌90°孔隙缺陷和90°重叠缺陷时，试件拉伸强度最高，拉伸强度比分别为90.89%和90.11%。在0°纤维铺层方向上，内嵌±30°孔隙缺陷和30°重叠缺陷时，试件拉伸强度最高，拉伸强度比分别为28.48%和50.71%。
近年来复合材料在航空、航天等领域使用量逐渐增多，应用范围也逐年增
SAWICKI
本文研究铺丝末端造成的内嵌孔隙/重叠缺陷，对含不同角度缺陷的试件进行拉伸测试，分析和比较其拉伸强度和失效行为。探索复合材料试件纤维丝束断裂处与受力方向的不同角度，即丝束末端不同角度的内嵌缺陷对试件力学性能的影响，对照单向内嵌缺陷，引入交叉内嵌缺陷，分析不同丝束末端缺陷配置对层合板的影响。
缺陷设置位置均在试件中间，如
（a） 内嵌交叉缺陷试件
（b） 内嵌对齐缺陷试件
（c） 完好试件
图1 内嵌缺陷试件
Fig.1 Specimen with embedded defects
0°纤维方向内嵌孔隙缺陷或重叠缺陷试件按照[(90°/0°)5/90°]的顺序进行铺放，缺陷均位于0°纤维层内。90°纤维方向内嵌孔隙缺陷或重叠缺陷试件按照[(0°/90°)5/0°]的顺序进行铺放，缺陷均位于90°铺层内。
（a） 内嵌交叉孔隙缺陷
（b） 内嵌交叉重叠缺陷
图2 内嵌交叉缺陷纤维层分布图
Fig.2 Fiber layer distribution diagram of embedded interlaced defects
+30°、-30°、+30°、-30°、+30°，
+45°、-45°、+45°、-45°、+45°，
+60°、-60°、+60°、-60°、+60°。
当内嵌缺陷角度为30°、 45°、60°时，内嵌孔隙/重叠缺陷在试件纤维层分布如
（a） 内嵌对齐孔隙缺陷
（b） 内嵌对齐重叠缺陷
图3 内嵌对齐缺陷纤维层分布图
Fig.3 Fiber layer distribution diagram of embedded defects specimens
根据
在0°纤维铺层设计内嵌缺陷时，试件铺层顺序按照[(90°/0°)5/90°]的铺层顺序进行铺放。
（a） 内嵌孔隙缺陷
（b） 内嵌重叠缺陷
（c） 完好试件
图4 0°铺层内嵌缺陷试件及完好试件
Fig.4 Embedded defects in 0° layers and intact specimens
当内嵌孔隙缺陷时，由于丝束的断裂，使试件缺陷处的纤维层缺失，试件产生内凹，从而导致缺陷处的厚度减小。当内嵌重叠缺陷时，与内嵌孔隙缺陷相反，虽然丝束断裂，但纤维层重叠使得缺陷处纤维堆积，试件产生外凸，导致缺陷处的厚度增大。
（a） 完好试件及内嵌缺陷试件
（b） 内嵌缺陷试件
图5 0°铺层内嵌孔隙缺陷典型试件拉伸载荷-位移曲线
Fig.5 Tensile load-displacement curves of typical specimens with gap defects embedded in 0° layers
图6 0°铺层内嵌孔隙缺陷试件拉伸强度
Fig.6 Tensile strength of specimens with gap defects embedded in 0°layers
内嵌交叉缺陷时，试件的拉伸强度逐渐减小，主要原因是随着内嵌缺陷角度的增大，不同纤维铺层的缺陷夹角减小，使得各处缺陷更接近形成完整断裂面。内嵌对准缺陷时，随着内嵌缺陷角度的增大，试件的拉伸强度逐渐减小，主要原因是随着内嵌缺陷角度的增大，缺陷处断面与相邻90°完好纤维铺层的纤维丝束夹角减小，由于0°纤维铺层是试件的主要承载层，所以试件拉伸强度逐渐减小。内嵌交叉缺陷试件的拉伸性能明显高于内嵌对准缺陷试件，主要原因是试件内嵌交叉缺陷时，90°完好纤维铺层相邻内嵌缺陷角度不同的纤维层，内嵌交叉缺陷不易形成相同角度的断面，所以内嵌交叉缺陷试件拉伸性能优于内嵌对准缺陷试件。
图7 0°铺层内嵌重叠缺陷典型试件拉伸载荷-位移曲线
Fig.7 Tensile load-displacement curves of typical specimens with overlap defects embedded in 0° layers
图8 0°纤维铺层内嵌重叠缺陷试件拉伸强度
Fig.8 Tensile strength of specimens with overlap defects embedded in 0° layers
当内嵌交叉缺陷时，随着内嵌缺陷角度的增大，试件拉伸强度呈现先增后减的趋势，主要原因是，内嵌缺陷角度θ是±30°或±60°时，与断面夹角更小，所以导致拉伸强度有所下降。内嵌对准缺陷时，随着内嵌缺陷角度的增大，试件的拉伸强度逐渐减小，主要原因是随着内嵌缺陷角度的增大，缺陷处断面与相邻90°完好纤维铺层的纤维丝束夹角减小，由于0°纤维铺层是试件的主要承载层，所以试件拉伸强度逐渐减小。重叠缺陷能够对中断的丝束起到很好的连接作用，便于载荷传递，所以试件内嵌交叉缺陷和内嵌对准缺陷时，试件的拉伸强度差异并不明显。
内嵌重叠缺陷试件拉伸强度比明显高于内嵌孔隙缺陷试件，主要原因是相对于孔隙缺陷，重叠缺陷能够对中断的丝束起到很好的连接作用，便于载荷传递。当试件内嵌重叠缺陷时，含缺陷区域单位面积内纤维体积分数增加，弱化了应力集中。
在90°纤维铺层设计内嵌缺陷时，试件铺层顺序按照[(0°/90°)5/0°]的设计方式进行铺放。
（a） 内嵌孔隙缺陷
（b） 内嵌重叠缺陷
（c） 完好试件
图9 90°铺层内嵌缺陷试件及完好试件
Fig.9 Embedded defects in 90° layers and intact specimens
图10 90°纤维铺层内嵌孔隙缺陷典型试件
Fig.10 Tensile load-displacement curves of typical specimens with gap defects embedded in 90° layers
拉伸载荷-位移曲线
图11 90°纤维铺层内嵌孔隙缺陷试件拉伸强度
Fig.11 Tensile strength of specimens with gap defects embedded in 90° layers
完好试件的拉伸强度为1 238.03 MPa，本组所有内嵌缺陷试件中，当内嵌缺陷角度θ为90°时，与完好试件拉伸强度比达到90.89%，其他规格试件与完好试件拉伸强度比均在70%~90%。
当试件内嵌交叉缺陷或内嵌对准缺陷时，随着内嵌缺陷角度的增大，试件的拉伸强度呈现出增大的趋势，主要原因是内嵌缺陷角度的增大，与内嵌缺陷纤维层纤维丝束的夹角变小，纤维丝束的分布更接近完好铺层纤维丝束，对内嵌缺陷纤维层的损伤面积减小。由于0°纤维铺层是试件的主要承载层，所以试件内嵌交叉缺陷和内嵌对准缺陷时，试件的拉伸强度差异并不明显。
图12 90°纤维铺层内嵌重叠缺陷典型试件
Fig.12 Tensile load-displacement curves of typical specimens with overlap defects embedded in 90° layers
拉伸载荷-位移曲线
图13 90°纤维铺层内嵌重叠缺陷试件拉伸强度
Fig.13 Tensile strength of specimens with overlap defects embedded in 90° layers
当内嵌交叉缺陷时，随着内嵌缺陷角度的增大，试件拉伸强度呈现先增后减的趋势，主要原因是内嵌缺陷角度θ是±30°或±60°时，与断面夹角更小，导致拉伸强度较θ为±45°时有所下降。当试件内嵌对准缺陷时，随着内嵌缺陷角度的增大，试件的拉伸强度呈现出增大的趋势，主要原因是内嵌缺陷角度的增大，与内嵌缺陷纤维层纤维丝束的夹角变小，纤维丝束的分布更接近完好铺层纤维丝束，内嵌缺陷纤维层的损伤面积减小。
由于0°纤维铺层是拉伸实验中试件的主要承载层，因此在90°纤维铺层内嵌缺陷时对试件拉伸性能的影响并不显著。与0°纤维铺层内嵌缺陷的情况相反，在90°纤维铺层内嵌缺陷时，内嵌孔隙缺陷试件的拉伸强度普遍高于内嵌重叠缺陷试件。主要原因是：纤维丝束的叠加使重叠缺陷区域厚度发生变化，相邻的0°纤维铺层产生面外褶皱，导致内嵌缺陷区域产生应力集中，从而导致试件拉伸强度有所下降。
（1）内嵌缺陷设置在0°方向铺层内时，试件拉伸性能下降明显。内嵌±30°孔隙缺陷和30°重叠缺陷时，试件拉伸强度比分别为28.48%和50.71%。由于0°纤维铺层是拉伸实验中试件的主要承载层，因此在0°纤维铺层内嵌缺陷时对试件拉伸性能的影响十分显著。
（2）内嵌缺陷设置在90°方向铺层内时，试件拉伸性能下降不明显。内嵌90°孔隙缺陷和90°重叠缺陷时，试件拉伸强度比分别为90.89%和90.11%。
（3）内嵌缺陷设置在0°纤维方向铺层内时，由于0°方向铺层是整个试件的主要承载层，纤维方向平行于实验机拉力方向，导致试件断裂点发生在内嵌缺陷附近。除断裂点以外，还发现试件的纤维断裂以及分层损伤。拉伸时，首先在缺陷处产生裂纹，随着载荷增大，裂纹在层内扩展，造成分层损伤，然后在内嵌缺陷附近产生明显的纤维断裂，试件失效。
（4）内嵌缺陷设置在90°纤维方向铺层内时，由于0°方向纤维铺层才是主要的承载层，90°方向铺层纤维垂直于外加载荷方向，因此，缺陷试件的断裂并未完全发生在内嵌缺陷附近。随着载荷的增加，仍然是内嵌缺陷处首先发生断裂，随着载荷越来越大，裂纹逐渐扩展，然后发生层间损伤，直至纤维断裂，试件失效。
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