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飛機復合材料結構層間或膠結界面污染、粘接劑不均勻/老化等因素會導致“吻接”和“弱粘接”問題，而現有超聲波、紅外等無損檢測技術無法有效檢測評估。激光誘導等離子體沖擊波檢測界面結合強度技術 (LASAT) 是一種利用激光沖擊波反射拉伸波的力學效應進行界面結合強度定量性評估的新型檢測技術，可有效解決“吻接”和“弱粘接”的檢測難題。納秒激光誘導的沖擊波壓力大、應變率高、持續時間短，且在復合材料材料內部各方向產生不均勻的應力作用。這種不均勻短脈沖應力作用下材料的響應規律復雜，呈現出十分明顯的應變率相關性，現有研究主要通過實驗測試來描述不同應變率條件下復合材料的力學性能與動態響應規律以及激光參數反演，而少量數值預測模型和方法均未考慮應變率在復合材料各個方向的相關性。為此，航空動力系統與等離子體技術全國重點實驗室（APPL）聯合西北工業大學航空學院提出采用一種三維正交各向異性的應變率本構模型進行超高應變率沖擊波在復合材料內部的傳播及失效預測，并通過實驗進行了科學系統驗證。

該方法主要包含三個方面：（1）復合材料三維各向異性模量、泊松比和強度與應變率成正比且服從對數關系，實現了應力波傳播規律的精確預測；（2）失效準則及損傷演化剛度折減均采用基于應變控制的策略，解決了局部單元剛度退化后應力卸載導致應變混亂的問題；（3）成功預測復合材料厚度方向精確分層損傷位置、損傷后應力波新的傳播形式以及背面粒子速度的變化，并將損傷和背面粒子速度與實驗進行對比驗證，優化反演得到合適的壓力-時間曲線峰值，對激光誘導沖擊波的激光參數溯源提供了參考。

相關工作以“Ultrahigh-Strain-Rate-Predicting Method for Nanosecond-Laser-Induced Shock on Aeronautical Composite Materials”為題發表于國際航空航天領域權威期刊AIAA Journal。

圖1 激光誘導沖擊波檢測設備與實驗原理圖

圖2 激光誘導沖擊波傳播機理示意圖

圖3 本文實驗所用復合材料檢測位置與鋪層信息

圖4 激光誘導沖擊復合材料的四分之一模型

圖5 1J激光能量的模擬與實驗結果：應力、應變率、應力-位置-時間關系及CT圖像對比

圖6 2J激光能量的模擬與實驗結果：應力、應變率、應力-位置-時間關系及CT圖像對比

圖7 激光誘導沖擊復合材料背面粒子速度

論文鏈接：

https://doi.org/10.2514/1.J065015