T300_69层合板多角度冲击下的数值模拟研究_刘俭辉.pdf

文章编号：-（）-T 层合板多角度冲击下的数值模拟研究刘俭辉*，潘仪晨，薛文卓，孙建仁（兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 ；兰州工业学院 机电工程学院，甘肃 兰州 ）摘要：为研究不同冲击能量、冲击角度对 层合板边缘冲击性能的影响，基于应变描述的三维 失效准则，借助 q 有限元分析软件和改进的 子程序，对 层合板不同冲击能量、冲击角度的边缘低速冲击过程进行数值模拟，建立 层合板边缘低速冲击的有限元模型结果表明：冲击能量相同时，随着冲击角度的增大层合板损伤程度和吸能情况均降低；冲击角度相同时，随着冲击能量增大层合板损伤程度和吸能情况均升高同时，改进的 子程序能较好地预测 层合板的低速冲击响应和损伤演化过程关键词：层合板；边缘冲击；冲击角度；冲击能量；低速冲击中图分类号：文献标志码：N u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nT c o m p o s i t e l a m i n a t eu n d e rm u l t i-a n g l e i m p a c t -，-，-，-（，；-，）A b s t r a c t：，-q -，-K e yw o r d s：；-由于复合材料层合板具有比强度高、比模量大、抗疲劳和可设计的力学性能优点，所以在飞机主体结构中应用越来越广泛-然而，由于复合材料的结构使其对低能量冲击较为敏感，所以这些冲击可能使层合板产生严重的内部损伤，降低其综合性能-在复合材料受到冲击时，并非所有的冲击都收稿日期：-基金项目：国家自然科学基金青年基金（），甘肃省自然科学基金（）通讯作者：刘俭辉（-），男，河南睢县人，博士，副教授 ：是垂直于冲击面的，而是存在不同角度的冲击因此，开展 层合板不同冲击能量、冲击角度的边缘冲击性能研究具有一定的工程应用价值目前在对复合材料低速冲击进行研究时，主要集中在正面低速冲击李磊等采用基于物理失效模式的 失效准则对层合板进行正面低速冲击的研究，获得了纤维和树脂性能对层压板抗冲击性能的影响规律 等为确定混合复合层压板的机械性能和冲击响应，采用不同冲击能量（、）对层压板进行低速冲击实验，并与混合复合材料（）进行比较，分别探究平纹编织第 卷第期 年月兰州理工大学学报 碳纤维增强环氧树脂（）、平纹编织玻璃纤维增强环氧树脂（）、混合复合材料（）的冲击特性 等为探究 和 编织复合材料的机械性能，对玻璃-不饱和聚酯复合材料进行多角度冲击，探讨了冲击器位移、层合板吸收能量、接触持续时间、损伤深度和面积等参数随冲击角度的变化关系 等 探讨了冲击角度和冲击时层板几何扭曲对夹芯板低速冲击响应不确定度的影响 等 对复合材料的冲击行为进行了实验和数值分析，研究了复合材料在表面或边缘受到冲击时冲击能量的极限 等 进行了和 层合板的边缘冲击实验，研究了在冲击角度不同时层合板对冲击损伤的敏感性 等 利用多种冲击速度、冲击角度对编织 （玻璃-环氧树脂）复合板进行了弹丸冲击，探究了层合板的损坏程度、损坏模式和弹丸的残余速度等问题 等 利用连续损伤力学方法对复合管碳纤维增强塑料（）和玻璃纤维增强塑料（）进行了轴向和斜向冲击，研究了在不同冲击条件下复合管的动态响应变化和损伤特点 等 对编织复合蒙皮和聚氨酯泡沫芯所制夹心板的低速法向冲击和中速斜向冲击行为进行了有限元模拟，分析了纤维和泡沫芯的损伤模式 等 通过对蒙皮纵梁面板上边缘冲击和冲击后压缩的研究，探究形和形加筋板对冲击的敏感性然而，到目前为止采用不同角度对层合板边缘进行冲击的研究非常有限，在一定程度上不能满足实际工程应用的需求本文借助 软件对 层合板的边缘低速冲击行为进行模拟研究，使用基于应变描述的三维 失效准则，结合改编的 子程序，对复合材料层合板低速冲击过程进行数值模拟探讨不同冲击能量（、）和不同冲击角度（、）对 层合板低速冲击性能的影响，分析接触力和吸能情况随冲击时间的变化趋势 低速冲击的损伤模型 层内损伤模型许多学者对冲击损伤的失效准则进行了大量研究，如 -破坏准则、失效准则和三维 失效准则 基于应变形式的三维 失效准则常常因在冲击过程中应变变化较为平稳而被应用于层合板的层内损伤模型中因此，本文将以应变形式为基础的三维 失效准则与编写的 子程序相结合，对复合材料层合板低速冲击过程进行仿真分析具体 失效准则的表达式如下：纤维拉伸断裂（）e （）（）（）e （）（）纤维压缩断裂（）e （）（）基体拉伸断裂（）e （）（）（）（）基体压缩断裂（）eE G （）（）E G （）（）（）（）式中：e、e、e和e分别为纤维和基体各方向的断裂韧性；G为材料的剪切模量；E为材料的杨氏模量；i i和i i分别为i方向所对应的拉伸强度和压缩强度的失效应变；i j为单元剪切强度对应的剪切失效应变；和 为单元材料主方向的应变分量；、和 为单元材料主方向的剪切应变分量；为单元主方向剪切强度 层间损伤模型对于复合材料层合板的层间损伤模型，本文在复合材料两相邻层之间引入零厚度的 单元，模拟不同层间的界面效应界面元的起始损伤判据为二次应力准则 损伤准则，演化过程是基于-准则的能量演化方式 其中，界面元的应力-应变本构关系为nstEn nEs sEt tnst（）nnT，ssT，ttT（）Kn nEn nT，Ks sEs sT，Kt tEt tT（）式中：n为主应力的名义应力；s为第一剪切方向的名义应力；t为第二剪切方向的名义应力；En n、Es s和Et t为弹性模数；n、s和t为单元各方向的应变；n、s和t为单元在载荷过程的形变量；T为单元初始长度；Kn n、Ks s和Kt t为材料刚度 界面层单元损伤后双线性本构关系如图所示图中，G为单元出现开裂时所需的总断兰州理工大学学报 第 卷图 C o h e s i v e界面单元损伤演化F i g C o h e s i v e i n t e r f a c e e l e m e n t d a m a g e e v o l u t i o n裂能，D为刚度弱化参数，K为材料完好时的刚度参数采用强度判别式作为界面层的分层起始判据，采用基于能量的-等效断裂韧性准则作为层间损伤演化的判据损伤起始判据选用的二次应力准则为nN sS tT （）式中：N 为厚度方向的抗拉强度；S 为贯穿厚度和纤维方向的剪切强度；T 为横向和厚度方向分层的剪切强度单元出现开裂时所需的总断裂能为GGGCG（）G G（）n（）G GG（）GGG （）式中：G、G分别为型、型临界应变能释放率；G 为界面牵引力的剪切模量所做功；G为界面牵引力所做功；n为-准则系数；G、G、G分别为型、型、型断裂韧性能 有限元模型有限元模型中层合板各子层的单元类型为节点六面体线性减缩积分单元（），并采用沙漏控制，同时在不同纤维方向子层之间引入零厚度的 界面单元（），模拟层合板受冲击后的分层损伤模式为反映实际的约束情况，有限元模型设置如图所示层合板的弹性参数和强度性能参数分别如表和表所列，界面层材料参数如表所列表 G F R P（T ）层合板弹性性能参数T a b E l a s t i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fG F R P（T ）l a m i n a t e sE E E G G G 图 层合板有限元模型F i g F i n i t e e l e m e n tm o d e l o f l a m i n a t e dp l a t e表 G F R P（T ）层合板强度性能参数T a b S t r e n g t hp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o fG F R P（T ）l a m i n a t e sX X Y Y Sx y Sx z Sy z 表 C o h e s i v e界面层参数T a b C o h e s i v e i n t e r f a c e l a y e rp a r a m e t e r sE G n s G（）G（）G（）注：Ei为材料杨氏模量，i j为材料泊松比，Gi j为材料剪切模量，X为材料纵向拉伸强度，X为材料纵向压缩强度，Y为材料横向拉伸强度，Y为材料横向压缩强度，Sx y、Sx z和Sy z为材料各方向的剪切强度，E为界面层杨氏模量，G为界面层强度参数，n和s为界面层应力参数 有限元结果分析利用有限元软件模拟冲击能量分别为、的冲击过程，此时冲头对应的速度为别为 、，通过改变冲击角度（层合板与竖直面的夹角 、）研究复合材料层合板的边缘冲击性能，分析不同冲击能量、冲击角度下接触力和吸收能量分别随冲击时间的变化关系 接触力-冲击时间曲线分析当利用、能量对层合板进行 、和 冲击时，接触力与冲击时间的关系如图和图所示由图可以看出，随着冲击角度增大，接触力峰值变小，整个冲击过程需要的时间变长但是无论冲击角度大小如何，接触力的值都是始于又归于，这是由于冲头冲击复合材料层合板后，待冲击到一第期刘俭辉等：层合板多角度冲击下的数值模拟研究 定深度时，冲头出现反弹现象直至完全脱离层合板由图可以看出，相同冲击角度不同冲击能量下，随着冲击能量增大，接触力增大在接触力达到最大之前会产生波动，这是由于冲头与层合板接触时间内，层合板内部出现了纤维损伤、基体损伤、分层损伤等内部损失，引起层合板与冲头接触不稳定，从而导致接触力变化其余曲线的小波动主要是由试件的弹性波响应和振动引起的 吸收能量-冲击时间曲线分析当利用、能量对层合板进行 、和 冲击时，种冲击角度下吸收能量与冲击时间的变化关系如图和图所示在吸收能量-冲击时间曲线中，吸收能量达到峰值的点是冲头运动的最低点，此时所有的动能一部分转化为试样的应变能，另一部分则以冲头与复合材料层合板之间损伤和摩擦的形式而耗散掉之后，图 不同冲击能量下接触力-冲击时间曲线F i g C o n t a c t f o r c e-i m p a c t t i m e c u r v e u n d e rd i f f e r e n t i m p a c t e n e r g i e s图 不同冲击角度下接触力-冲击时间曲线F i g C o n t a c t f o r c e-i m p a c t t i m e c u r v e u n d e rd i f f e r e n t i m p a c t a n g l e s图 不同冲击能量、冲击角度下吸收能量-冲击时间曲线F i g A b s o r b e d e n e r g y-i m p a c t t i m e c u r v e u n d e rd i f f e r e n t i m p a c t e n e r g i e s a n d i m p a c t a n g l e s兰州理工大学学报 第 卷图 不同冲击能量、冲击角度下吸收能量-冲击时间曲线F i g A b s o r b e d e n e r g y-i m p a c t t i m e c u r v e u n d e rd i f f e r e n t i m p a c t e n e r g i e s a n d i m p a c t a n g l e s冲头开始回弹，弹性卸载发生，试样可恢复的弹性应变能转化为冲锤的动能，直至冲锤与层合板分离曲线的最终能量值表示层合板总能量耗散，它主要是层合板各损伤能量耗散的总和由图可以看出，在相同能量冲击下，随着冲击角度增大，能量峰值所处时刻不断滞后，能量的耗散相对减小，但整体相差不大由图可以看出：在相同角度冲击下，随着冲击能量增大，吸收能量和耗散能量均增大；同时随着冲击角度增大，完成整个冲击过程的时间变长 冲击损伤形貌多角度下冲击冲头与复合材料层合板并非垂直，其力学分析如图所示图中，F为对层合板施加的冲击能力图 不同冲击角度下力学分析图F i g M e c h a n i c a l a n a l y s i s d i a g r a mu n d e rd i f f e r e n ti m p a c t a n g l e s在相同冲击能量时，随着冲击角度增大，复合材料层合板分层损伤情况逐渐减轻这是由于随着冲击角度增大沿层合板方向的冲击能量F 减小，从而施加在层合板的能量相对减小结合图可知，随着冲击角度增大吸收能量减小，虽然层合板的整体损伤减轻，但损伤情况相差较小利用 模拟 层合板边缘低速冲击过程，在不同冲击能量、冲击角度下损伤形貌如图所示图 不同冲击能量、冲击角度损伤形貌图F i g D a m a g em o r p h o l o g yo f d i f f e r e n t i m p a c t e n e r g i e sa n d i m p a c t a n g l e s第期刘俭辉等：层合板多角度冲击下的数值模拟研究 有限元分析结果表明，由于基体开裂和纤维断裂产生的裂纹会沿着垂直于冲击方向的两边传播，导致冲击过程完成后层合板表面留下不可恢复的损伤不同能量和不同角度下层合板损伤情况不同由图可以看出：当冲击角度相同时，随着冲击能量增大，层合板的损伤情况加剧；当冲击能量相同时，随着冲击角度增大，层合板的损伤情况加剧 结论本文主要针对不同冲击能量、冲击角度下 层合板的边缘低速冲击行为进行了研究，借助基于应变的 子程序，探究 层合板在不同冲击工况下边缘冲击的性能）当冲击角度相同、冲击能量不同时，由接触力-冲击时间曲线可知，随着冲击能量增大，接触力也相应增大由吸收能量-冲击时间曲线可知：当冲击角度相同时，随着冲击能量增大，复合材料层合板所耗散的能量增大；同时，随着冲击能量增大，受冲击后复合材料层合板的损伤情况加重）当冲击能量相同、冲击角度不同时，由接触力-冲击时间曲线可知，随着角度增大，复合材料层合板所耗散的能量和沿层合板厚度方向的力均减小，受冲击后层合板的损伤情况减轻）通过有限元模拟仿真结果发现，冲击能量一定时，层合板损伤情况会随着冲击角度的增大而减轻因此，实际工程应用中应尽量避免层合板在较小的角度下受到低速冲击参考文献：叶林，贺鹏飞，李文晓含z向纤维增强的连续纤维增强树脂基复合材料冲击性能研究进展 高科技纤维与应用，（）：-陈县辉，张彦飞，杜瑞奎，等冲击方向对层合板低速冲击响应的模拟研究 工程塑料应用，（）：-，（）：-杨旭，何为，韩涛，等低速冲击下复合材料层板压缩许用值 复合材料学报，（）：-管清宇，冯剑飞，夏品奇，等复合材料层压板低速冲击行为及剩余拉伸强度 北京航空航天大学学报，（）：-高建雄纤维增强复合材料剩余强度模型及寿命预测方法研究兰州：兰州理工大学，李磊，宋贵宾，郑华勇，等基于 准则的复合材料层压板低速冲击数值分析与试验验证 复合材料科学与工程，（）：-，e t a l -：-，（）：-，q -：-，：，e ta l -q -，：，e ta l -：，e t a l -，：-，-q ，：，-q -，：-，e t a l -：-q ，：-，-（）-，：-宋恒旭复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用 北京：清华大学，-，：崔俊杰，郭章新，朱明，等表面带金属层的复合材料层合板低速冲击数值模拟 材料导报，（）：-张文超，关志东，李思琪，等高性能航空复合材料低速冲击损伤分析 科学技术与工程，（）：-兰州理工大学学报 第 卷