摘要：夹层复合材料因其高比强度、高比刚度及优异的抗疲劳性能，在航空航天、交通运输等领域得到广泛应用。然而，其结构在服役过程中易受到冲击、缺口等缺陷的影响，导致性能退化甚至失效。本文基于美国联邦航空局资助的研究项目，系统综述了夹层复合材料在断裂力学与缺口敏感性方面的研究进展，包括测试方法开发、数值模拟验证及标准化工作，旨在为工程应用提供理论依据与技术支撑。
关键词：夹层复合材料；断裂力学；缺口敏感性；开孔试验；渐进损伤分析；ABAQUS；ASTM标准
一、引言
夹层复合材料由高强度面层与轻质芯层组成，其在复杂载荷环境下的损伤行为具有特殊性，尤其是面层与芯层之间的脱粘问题，严重影响结构的安全性与耐久性。为此，研究团队围绕夹层复合材料的断裂力学性能与缺口敏感性展开系统研究，涵盖实验方法开发、数值模拟与标准化推进等方面。
二、夹层复合材料断裂力学测试方法开发
1. 模态I断裂韧性测试：单悬臂梁试验
采用单悬臂梁试验评估面层与芯层在张开模式下的断裂韧性。试样一端预制裂纹，通过粘结铰链对上方面层施加向上载荷，记录载荷、位移与裂纹长度，计算临界能量释放率 。该方法已被纳入ASTM标准草案，并完成了七国实验室的联合循环验证。
2. 模态II断裂韧性测试：分离端缺口弯曲试验
在传统三点弯曲试验基础上，引入张力钢丝实现面层与芯层的分离，确保模态II占比超过80%。该方法无需切除芯层，具有较高的适用性与可调性，适用于多种夹层构型。
三、夹层复合材料损伤容限测试方法
研究团队开发了两种主要的损伤后性能测试方法：
四、缺口敏感性研究
1. 开孔压缩试验
为研究缺口对夹层结构强度的影响，团队设计了开孔压缩试验。通过调整孔径与试件尺寸，确定了最优的几何比例：
2. 开孔弯曲试验
采用四点弯曲配置，内跨距为4英寸，试件宽度为3英寸，孔径为0.5英寸。研究发现，内跨距与宽度比对强度影响不显著，但需确保破坏发生在内跨距范围内。数字图像相关技术被用于测量远场应变，验证了试验的可靠性。
3. 其他缺口构型研究
团队还探索了多种缺口构型，包括：
五、数值模拟与验证
研究采用ABAQUS结合用户自定义材料模型进行渐进损伤分析，该模型基于刚度退化理论，支持最大应力、最大应变及Hashin失效准则。模型在以下方面得到验证：
六、未来工作方向
七、结论
本研究系统开发并验证了夹层复合材料在断裂力学与缺口敏感性方面的测试与分析方法，推动了相关ASTM标准与CMH-17手册的制定。通过实验与数值模拟的结合，为夹层结构在航空工程中的安全设计与评估提供了重要技术支撑。未来将继续完善测试标准与模型精度，进一步提升夹层复合材料的可靠性与应用范围。