Study on compressive residual strength of hat-stiffened composite panel structure after impact

ZHOU Kaiyuan; ZHANG Ru; LI Xinxiang

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.008

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Study on compressive residual strength of hat-stiffened composite panel structure after impact

·Experimental Research·Testing Technology· | 更新时间：2026-04-15

- Study on compressive residual strength of hat-stiffened composite panel structure after impact
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 4, Pages: 66-74(2026)
- 作者机构：
  
  中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室，西安 710065
- 作者简介：
  
  ZHOU Kaiyuan, E-mail: zhouky008@avic.com
- 基金信息：
  
  Civil Aircraft Scientific Research Project(MJ-2015-F-038)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.008
  CLC： TB332
- Received：16 June 2024，
  
  Revised：2024-08-24，
  
  Published：15 April 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
周开渊，张茹，李新祥. 复合材料帽形长桁结构冲击后压缩剩余强度研究［J］. 机械强度，2026，48（4）：66-74.

ZHOU Kaiyuan，ZHANG Ru，LI Xinxiang. Study on compressive residual strength of hat-stiffened composite panel structure after impact［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（4）：66-74.
周开渊，张茹，李新祥. 复合材料帽形长桁结构冲击后压缩剩余强度研究［J］. 机械强度，2026，48（4）：66-74. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.008.

ZHOU Kaiyuan，ZHANG Ru，LI Xinxiang. Study on compressive residual strength of hat-stiffened composite panel structure after impact［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（4）：66-74. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.008.

摘要

目的

针对复合材料帽形长桁结构在帽缘冲击后压缩剩余强度研究匮乏的现状，旨在探明帽缘冲击对该类结构承载能力的劣化机制与影响规律，为结构抗冲击损伤容限设计提供参考。

方法

首先，开展复合材料帽形长桁结构的低速冲击与冲击后压缩试验；其次，建立考虑纤维、基体及层间损伤的渐进失效分析模型，通过编写Vumat子程序在Abaqus软件中实现低速冲击与冲击后压缩的一体化仿真，准确引入冲击损伤并进行剩余强度预测；然后，通过对比试验与仿真结果验证模型有效性；最后，分析帽缘冲击对压缩剩余强度及失效模式的影响。

结果

结果表明，所建模型能有效预测帽缘冲击损伤形态及尺寸，分层损伤面积预测误差小于5.6%；含帽缘冲击损伤试件的压缩破坏载荷较无损伤试件下降超过46.9%，其失效模式主要表现为长桁横向断裂及冲击侧长桁-蒙皮界面脱黏，仿真与试验破坏模式吻合良好。

Abstract

Objective

In view of the limited research on the compressive residual strength of hat-stiffened composite panels structure after edge-on impact

this study aims to investigate the degradation mechanism and influence of edge-on impact on the load-bearing capacity of such structures

so as to provide reference for impact damage tolerance design.

Methods

Firstly

low-velocity impact and compression-after-impact tests were conducted on hat-stiffened composite panels. Secondly

a progressive failure analysis model considering fiber

matrix

and interlaminar damage was established. An integrated simulation of low-velocity impact and compression after impact was implemented in Abaqus software by writing a Vumat subroutine

which accurately introduced the impact damage and predicted the residual strength. Then

the validity of the model was verified by comparing experimental and simulation results. Finally

the influence of edge-on impact on the compressive residual strength and failure modes was analyzed.

Results

The results show that the proposed model can effectively predict the morphology and size of edge-on impact damage

with a prediction error for the delamination area less than 5.6%. Compared with the undamaged specimens

the compressive failure load of specimens with edge-on impact damage decreased by more than 46.9%. The primary failure modes are identified as transverse fracture of the hat-stiffener and debonding of the stiffener-skin interface on the impact side

which are consistent with the experimental observations.

关键词

Keywords

references

LIU L Q ， XU W J . Effects of fillers on the impact damage and compressive residual properties of single hat-stiffened composite panels ［J］. Thin-Walled Structures ， 2022 ， 180 ： 109705 .

曹勇，张超 . 薄层复合材料冲击损伤行为研究进展［J］. 航空学报， 2022 ， 43 （ 6 ）： 147 - 163 .

CAO Yong ， ZHANG Chao . Impact damage behavior of thin-ply composites：a review ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2022 ， 43 （ 6 ）： 147 - 163 . （In Chinese）

杨钧超，陈向明，邹鹏，等 . 复合材料层合板剪切稳定性试验及强度预测［J］. 复合材料学报， 2023 ， 40 （ 3 ）： 1707 - 1717 .

YANG Junchao ， CHEN Xiangming ， ZOU Peng ， et al . Shear stability test and strength prediction of composite laminates ［J］. Acta Materiae Compositae Sinica ， 2023 ， 40 （ 3 ）： 1707 - 1717 . （In Chinese）

沈真，陈普会，刘俊石，等 . 含缺陷复合材料层压板的压缩破坏机理［J］. 航空学报， 1991 ， 12 （ 3 ）： A105 - A113 .

SHEN Zhen ， CHEN Puhui ， LIU Junshi ， et al . Experimental study on the compressive failure mechanisms of damaged composite laminates ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 1991 ， 12 （ 3 ）： A105 - A113 . （In Chinese）

LIN S Y ， WAAS A M . Accelerating computational analyses of low velocity impact and compression after impact of laminated composite materials ［J］. Composite Structures ， 2021 ， 260 ： 113456 .

FAGGIANI A ， FALZON B G . Predicting low-velocity impact damage on a stiffened composite panel ［J］. Composites Part A：Applied Science and Manufacturing ， 2010 ， 41 （ 6 ）： 737 - 749 .

ZHANG D ， ZHENG X T ， ZHOU J ， et al . Bridging the low-velocity impact energy versus impact damage and residual compression strength for composite laminates ［J］. Journal of Reinforced Plastics and Composites ， 2020 ， 40 （ 9/10 ）： 378 - 390 .

MAIO L ， MONACO E ， RICCI F ， et al . Simulation of low velocity impact on composite laminates with progressive failure analysis ［J］. Composite Structures ， 2013 ， 103 ： 75 - 85 .

MANSERI L ， NAVARRO P ， DORIVAL O ， et al . Development of a hybrid element to model intralaminar damage in thick composite plates under impact loading ［J］. Composites Part B：Engineering ， 2021 ， 222 ： 109024 .

ZHOU J J ， WEN P H ， WANG S N . Finite element analysis of a modified progressive damage model for composite laminates under low-velocity impact ［J］. Composite Structures ， 2019 ， 225 ： 111113 .

李磊，宋贵宾，郑华勇，等 . 基于Puck准则的复合材料层压板低速冲击数值分析与试验验证［J］. 复合材料科学与工程， 2021 （ 6 ）： 20 - 25 .

LI Lei ， SONG Guibin ， ZHENG Huayong ， et al . Numerical analysis and experimental verification of low-velocity impact of composite laminates based on Puck’s failure criterion ［J］. Composites Science and Engineering ， 2021 （ 6 ）： 20 - 25 . （In Chinese）

李念 . 复合材料加筋板边缘冲击损伤及冲击后压缩失效机理分析［D］. 南京：南京航空航天大学， 2016 ： 1 - 172 .

LI Nian . Failure mechanism analysis for edge impact damage and compression-after-impact behavior of stiffened composite panels ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2006 ： 1 - 172 . （In Chinese）

任涛，彭昂，吴大可，等 . 冲击位置对复合材料加筋板冲击后压缩行为影响试验［J］. 复合材料学报， 2022 ， 39 （ 2 ）： 788 - 801 .

REN Tao ， PENG Ang ， WU Dake ， et al . Experimental study on the influence of impact positions on compression-after-impact behavior of composite stiffened panels ［J］. Acta Materiae Compositae Sinica ， 2022 ， 39 （ 2 ）： 788 - 801 . （In Chinese）

邹建超 . 纤维复合材料冲击后压缩/剪切的损伤机理及性能预测研究［D］. 大连：大连理工大学， 2021 ： 1 - 210 .

ZOU Jianchao . Study on damage mechanism and performance prediction of fiber composites under compression/shear after impact ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2021 ： 1 - 210 . （In Chinese）

OUYANG T ， BAO R ， SUN W ， et al . A fast and efficient numerical prediction of compression after impact （CAI）strength of composite laminates and structures ［J］. Thin-Walled Structures ， 2020 ， 148 ： 106588 .

RIVALLANT S ， BOUVET C ， HONGKARNJANAKUL N . Failure analysis of CFRP laminates subjected to compression after impact：FE simulation using discrete interface elements ［J］. Composites Part A：Applied Science and Manufacturing ， 2013 ， 55 ： 83 - 93 .

TAN W ， FALZON B G ， CHIU L N S ， et al . Predicting low velocity impact damage and compression-after-impact （CAI） behaviour of composite laminates ［J］. Composites Part A：Applied Science and Manufacturing ， 2015 ， 71 ： 212 - 226 .

THORSSON S I ， WAAS A M ， RASSAIAN M . Low-velocity impact predictions of composite laminates using a continuum shell based modeling approach part A：impact study ［J］. International Journal of Solids and Structures ， 2018 ， 155 ： 185 - 200 .

THORSSON S I ， WAAS A M ， RASSAIAN M . Low-velocity impact predictions of composite laminates using a continuum shell based modeling approach part B：BVID impact and compression after impact ［J］. International Journal of Solids and Structures ， 2018 ， 155 ： 201 - 212 .

成李南，徐思文，陈向明，等 . 含预埋缺陷复合材料帽形加筋壁板界面失效研究［J］. 复合材料科学与工程， 2022 （ 8 ）： 28 - 34 .

CHENG Linan ， XU Siwen ， CHEN Xiangming ， et al . Analysis of interfacial failure in omega stiffened composite panel with embedded defect ［J］. Composites Science and Engineering ， 2022 （ 8 ）： 28 - 34 . （In Chinese）

HASHIN Z ， ROTEM A . A fatigue failure criterion for fiber reinforced materials ［J］. Journal of Composite Materials ， 1973 ， 7 （ 4 ）： 448 - 464 .

袁菲，刘富，柴亚南，等 . 复合材料加筋壁板帽形筋条包覆层对界面脱黏起始的影响［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 6 ）： 1490 - 1497 .

YUAN Fei ， LIU Fu ， CHAI Yanan ， et al . Internal cladding layer influence on the debonding of hat-stringer stiffened composite panels under axial compression ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 6 ）： 1490 - 1497 . （In Chinese）

LI X ， MA D Y ， LIU H F ， et al . Assessment of failure criteria and damage evolution methods for composite laminates under low-velocity impact ［J］. Composite Structures ， 2019 ， 207 ： 727 - 739 .

CAMANHO P P ， DAVILÁ C G . Mixed-mode decohesion finite elements for the simulation of delamination in composite materials ［R］. Washington，D.C.NASA ， 2002 ： 211737 .

BENZEGGAGH M L ， KENANE M . Measurement of mixed-mode delamination fracture toughness of unidirectional glass/epoxy composites with mixed-mode bending apparatus ［J］. Composites Science and Technology ， 1996 ， 56 （ 4 ）： 439 - 449 .

PENG A ， DENG J ， CAI D A ， et al . On damage behavior and stability of composite T-shaped stiffened panels under compression after impact considering impact locations ［J］. Thin-Walled Structures ， 2023 ， 182 ： 110295 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Study on compressive failure modes of TC2 stiffened panels with different welding processes

Related Author

QIN Zepeng

MA Yu'e

GAO Ruixin

XU Ruiyang

ZHENG Hantian

Related Institution

School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University

AVIC Shenyang Aircraft Design and Research Institute

⁰