复合材料设备舱接头冲击损伤研究.pdf

文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 0 1-1 0复合材料设备舱接头冲击损伤研究李 娜1,刘志明2,殷 怡2,赵金海1(1.中国航天空气动力技术研究院,北京 1 0 0 0 7 4;2.北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 1 0 0 0 4 4)摘 要:高速列车在有砟轨道上运行时,动车组设备舱结构会遭到道砟、砂石等物体的击打,研究发现复合材料设备舱在运营中因为砟石等的冲击存在变形、击穿等损伤模式,对接头薄弱区域承载具有削减作用,故以复合材料设备舱为研究对象,通过子模型方法开展设备舱接头处的冲击失效行为研究,采用基于应变的改进三维H a s h i n失效准则和二次名义应力准则模拟结构体冲击损伤的现象。结果表明:冲击体初始冲击速度一定时,入射角度越大,冲击造成的凹坑深度越大,在4 5 入射角度时,结构体层间损伤值最大;冲击体入射角度一定时,冲击产生的凹坑深度随着冲击速度近似呈线性变化;在冲击载荷下,受冲击区域发生横向纤维失效和分层失效为主的损伤,在1 0 0 m/s冲击速度下,首次出现纵向纤维损伤,在1 5 0 m/s冲击速度下,发生横向纤维的损伤模式,设备舱接头结构继续承载。我国高速列车运营速度(1 0 0 m/s)和最高试验速度(1 3 4 m/s)均小于1 5 0 m/s的冲击速度值,故现役高速列车在冲击载荷下有足够的安全裕量。关键词:设备舱;机械连接接头;复合材料;冲击损伤;渐进损伤中图分类号:U 2 7 0.1+2 文献标志码:A d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 0 1收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 9基金项目:第七届青年人才托举工程项目(2 0 2 1 QN R C 0 0 1)第一作者:李 娜(1 9 9 7),女,助理工程师。通信作者:刘志明(1 9 6 6),男,博士,教授。R e s e a r c h o n I m p a c t D a m a g e o f C o m p o s i t e E q u i p m e n t C a b i n J o i n tL I N a1,L I U Z h i m i n g2,Y I N Y i2,Z HAO J i n h a i1(1.C h i n a A c a d e m y o f A e r o s p a c e A e r o d y n a m i c s,B e i j i n g 1 0 0 0 7 4,C h i n a;(2.S c h o o l o f M e c h a n i c a l,E l e c t r o n i c a n d C o n t r o l E n g i n e e r i n g,B e i j i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 0 4 4,C h i n a)A b s t r a c t:Wh e n h i g h-s p e e d t r a i n s r u n o n b a l l a s t t r a c k,t h e s t r u c t u r e o f t h e e q u i p m e n t c a b i n w i l l b e h i t b y b a l l a s t,g r a v e l a n d o t h e r o b j e c t s.R e s e a r c h h a s f o u n d t h a t t h e c o m p o s i t e e q u i p m e n t c a b i n i s s u b j e c t e d t o d e f o r m a t i o n,b r e a k d o w n a n d o t h e r d a m a g e m o d e s d u r i n g o p e r a t i o n d u e t o t h e i m p a c t o f b a l l a s t a n d o t h e r m a t e r i a l s,w h i c h h a v e a r e d u c i n g e f f e c t o n t h e l o a d b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e w e a k j o i n t a r e a s.T h e r e f o r e,t h e p a p e r t a k e s t h e c o m p o s i t e e q u i p m e n t c a b i n a s t h e r e s e a r c h o b j e c t,a n d s t u d i e s t h e i m p a c t f a i l u r e b e h a v i o r a t t h e j o i n t o f t h e e q u i p m e n t c a b i n t h r o u g h t h e s u b m o d e l m e t h o d.T h e s t r a i n-b a s e d i m p r o v e d t h r e e-d i m e n s i o n a l H a s h i n f a i l u r e c r i t e r i o n a n d t h e s e c o n d a r y n o m i n a l s t r e s s c r i t e r i o n a r e u s e d t o s i m u l a t e t h e i m p a c t d a m a g e o f t h e s t r u c t u r a l b o d y.T h e r e s u l t s s h o w t h a t:a t a c e r t a i n i n i t i a l i m p a c t v e l o c i t y,t h e g r e a t e r t h e a n g l e o f i n c i d e n c e,t h e g r e a t e r t h e d e p t h o f t h e c o n c a v e c a u s e d b y t h e i m p a c t.A t a n i n c i d e n t a n g l e o f 4 5,t h e i n t e r l a y e r d a m a g e v a l u e o f t h e s t r u c t u r a l b o d y i s t h e h i g h e s t;a t a c e r t a i n a n g l e o f i n c i d e n c e,t h e d e p t h o f t h e c o n c a v e g e n e r a t e d b y t h e i m p a c t v a r i e s a p p r o x i m a t e l y l i n e a r l y w i t h t h e i m p a c t v e l o c i t y;u n d e r t h e i m p a c t l o a d,t r a n s v e r s e f i b e r f a i l u r e a n d d e l a m i n a t i o n f a i l u r e d o m i n a t e t h e d a m a g e i n t h e i m p a c t e d r e g i o n,a n d a t t h e i m p a c t v e l o c i t y o f 1 0 0 m/s,t h e f i r s t l o n g i t u d i n a l f i b e r d a m a g e o c c u r s,a t t h e i m p a c t v e l o c i t y o f 1 5 0 m/s,t h e d a m a g e p a t t e r n o f t r a n s v e r s e f i b e r s o c c u r s,a n d t h e e q u i p m e n t c a b i n j o i n t s t r u c t u r e c o n t i n u e s t o b e a r l o a d.C o n s i d e r i n g t h a t t h e o p e r a t i n g s p e e d(1 0 0 1 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 m/s)a n d t h e m a x i m u m t e s t s p e e d(1 3 4 m/s)o f h i g h-s p e e d t r a i n s i n C h i n a a r e l e s s t h a n t h e i m p a c t s p e e d v a l u e o f 1 5 0 m/s,s o t h e h i g h-s p e e d t r a i n s i n s e r v i c e s t i l l h a v e s u f f i c i e n t s a f e t y m a r g i n u n d e r t h e i m p a c t l o a d.K e y w o r d s:e q u i p m e n t c a b i n;m e c h a n i c a l c o n n e c t i o n j o i n t;c o m p o s i t e m a t e r i a l;i m p a c t d a m a g e;p r o g r e s s i v e d a m a g e 高速动车组复合材料设备舱通过螺栓和铆钉将各个梁结构、裙板、底板以及连接支架连接,在高速列车服役过程中复合材料设备舱结构受到道砟、鸟撞、冰雹等外来物体的冲击会产生穿孔、凹陷等损伤,影响设备舱结构的安全运用。现有研究表明建立合适的冲击本构模型可以模拟复合材料结构的冲击行为。马玉娥等1、AT A S等2、温卫东等3建立基于内聚力单元的层间损伤的有限元模型,预测了分层损伤的起始与扩展,并对整个冲击过程进行了模拟。B OUKA R等4对比0/9 03 s铺层和4 53 s铺层下层合板的失效模式和极限载荷变化,在损伤方面,两种铺层下均发生基体开裂和分层损伤;在承载方面,层合板达到极限载荷后承载能力迅速衰减,最后在很小载荷区间震荡波动,结构失去承载能力。WANG等5通过特征长度描述材料损伤,发现定义的特征长度模拟得到的整体力学响应与试验值吻合良好。L A D E V Z E等6利用材料参数的折减以及各方向有效应力值变化定义材料耗散能,通过建立界面模型将相邻单层粘接完成层合板建模,提出模拟层合板在任意时刻的损伤机制,得到损伤结束后宏观裂纹的萌生和扩展过程,并得到损伤下层合 板 承 载 能 力 的 变 化。R A J AN E E S H等7基 于L A D E V Z E等6的损伤模型建立介观损伤模型模拟织物复合材料在高速冲击下的响应,发现采用指数型非线性应变软化率的刚度退化计算得到的出射速度值与试验值吻合良好。S C A Z Z O S I等8引入损伤参数进行织物复合材料在高速冲击下的损伤研究,发现在高于4 3 0 m/s的冲击速度下,仿真结果与试验结果吻合度高。MOU S AV I等9研究发现在高速冲击载荷下,芳纶混杂复合材料层合板吸能量远大于纯碳纤维增 强 复 合 材 料,吸 能 量 较C F R P提 高6 7.8%。MUO Z等1 0发现低速冲击时,混合三维编织复合材料在厚度方向的增强使得材料能量耗散增加,从而提高材料的抗冲击性能。X I等1 1研究指出芳纶纤维可以提高织物的抗冲击性能,含2 5%芳纶纤维的织物材料较纯织物材料可提高1 3 7.2%的吸能量。A L ON S O等1 2建立基于能量的模型模拟夹层结构的冲击响应,发现在纤维弹性变形和纤维破坏阶段时,夹层结构的吸能量达到最高。研究表明织物材料有良好的抗冲击性能,且现阶段对机械连接下复合材料结构的冲击损伤研究较为缺乏,设备舱接头结构作为典型的机械连接模型,研究其在不同冲击下的损伤机理具有十分重要的工程意义。本文使用改进H a s h i n应变失效判据、指数型损伤演化函数建立渐进损伤分析模型1 3,用来预测设备舱接头结构的失效模式;采用二次应力失效准则、双线性退化函数以及界面单元建立层间损伤模型。结合以上两种预测模型,可以详细模拟冲击载荷下设备舱连接结构处的损伤情况,并得到冲击物在冲击全过程的运行状态。1 冲击载荷下的渐进损伤模型近年来,基于渐进损伤的有限元分析方法广泛应用于国内外复合材料结构的强度分析和极限载荷预测,该方法主要有3个组成部分:应力分析、失效判定、损伤演化。首先,将材料参数通过主程序传入VU-MAT程序中,通过材料本构关系,得到实时更新的应力值,将该值代入编写的失效准则中进行失效模式的判断。如果失效已发生,则根据退化模型进行损伤变量的计算,对材料参数进行折减,得到更新损伤后的材料刚度矩阵,计算当前应力分量,输出当前损伤变量值。反之则更新当前应力状态,返回主程序,完成损伤计算。冲击载荷下的损伤分析流程如图1所示。1.1 材料本构材料的连续性动态损伤本构关系是研究其力学性能的重要内容之一,目前主要应用宏观唯象方法来处理纤维增强复合材料的本构问题。即在连续介质力学的基础上,通过弹塑性理论和连续损伤力学,采用宏观应力和应变来描述复合材料整体的力学响应1 4。材料的本构关系表示为:=C(1)式中:为应力;C为正轴模量矩阵;为应变。C由工程弹性常数计算:C=E1 E12 1+3 12 3 E13 1+2 13 2 E21-1 33 1 E33 2+1 23 1 E31-1 22 1 G1 2s y s mG1 3G2 3(2)2铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 其中,=1/(1-1 22 1-2 33 2-1 33 1-22 13 21 3)(3)式中:为正轴模量计算系数;i j为材料泊松比;Ei 为弹性模量;Gi j为剪切弹性模量。图1 冲击载荷下的损伤分析流程图1.2 失效判据有研究表明1 5-1 6,复合材料的层间分层、纤维基体脱粘、纤维断裂等失效模式在动态载荷和静态载荷下具有相同的特征,也就是说复合材料的失效机制与应变率的高低无关,而是与载荷的形式有关,因此在动态问题的分析中可以借鉴静态下失效准则的数学表达形式。考虑到冲击载荷下,弹体和结构体在冲击点冲击时刻会产生应力急剧变化,失效因子的变化会出现大的波动,不利于进行材料失效的判断。因此,在冲击载荷下选择基于应变的改进三维H a s h i n失效准则,考虑4种典型失效模式的H a s h i n 1 3 失效准则的具体表达式如下所述。(1)纤维拉伸失效:f2f=(1 1 tf)2+(1 2 1 2f)2+(1 3 1 3f)2(1 10)(4)(2)纤维压缩失效:f2f=(1 1 cf)2 (1 10)(5)(3)基体拉伸失效:f2m=(2 2 +3 3 tm)2+(1 2 1 2f)2+(1 3 1 3f)2+(12 3f)2(22 3-C2 2 C3 3 G22 32 2 3 3)(2 2+3 30)(6)(4)基体压缩失效:f2m =(C2 2 2 2 +C3 3 3 3 2G1 2 1 2f)2+(1 2 1 2f)2+(1 3 1 3f)2+(12 3f)2(22 3-C2 2 C3 3 G22 32 2 3 3)+(2 2 +3 3 cm)(C2 2 cm2G1 21 2f)2-1(2 2+3 30)(7)式中:Ci i为i方向的刚度系数(i=1,2,3,4,5,6);yx为各种组合条件下的实时变化应变值,x=f,m(下标f、m分别为纵向纤维、横向纤维方向的变化),y=t,c(上标t、c分别为结构处于拉伸状态和压缩状态);1 1、2 2、3 3分别为主轴1、2方向和厚度方向的正应变;1 2、1 3、2 3分别表示1-2,1-3,2-3方向的剪应变;1 2f、1 3f、2 3f分别表示沿1-2,1-3,2-3方向的失效应变。1.3 损伤演化1.3.1 复合材料层合板损伤B A B U等1 7提出平纹编织复合材料三维应变速率相关的本构模型,在失效后将横向纤维方向和剪切方向的柔度分量通过试验校正因子进行折减。渐进损伤分析时,含损伤的本构关系表示为:i j =Cd j i(8)其中,Cd为损伤刚度矩阵,由损伤状态变量计算:Cd=C1 11-df C1 21-dm C1 31-dl C2 21-dm C2 31-dm C3 31-dl C4 4dss y s mC5 5dsC6 6ds(9)其中,ds=1-df 1-dm (1 0)式中:df、dm、dl、ds分别为纵向纤维方向损伤变量、横向纤维方向损伤变量、层间损伤变量、剪切损伤变量。为了模拟冲击损伤过程,本文采用可以反映损伤逐渐累积过程的连续退化模型进行刚度折减计算,使3 复合材料设备舱接头冲击损伤研究 李 娜,刘志明,殷 怡,赵金海用指数形式的非线性应变软化率描述不同模式下的损伤演化:df=1-1 1ffe x p(-C1 11 1ff)(1 1)dj=1-2 2fje x p(-C2 22 2fj)(j=m,l)(1 2)式中:m、l分别为基体方向、层间方向。1.3.2 界面单元损伤由于黏聚区模型将材料分成连续体以及连续体之间的黏聚层,层间失效由被粘接面的分离来表征,因此本文通过界面单元描述损伤的萌生与分层的扩展。复合材料层板的界面损伤后的界面本构关系表示为:=1-D K d(1 3)式中:D为刚度弱化系数,0D1;K为刚度矩阵;d为界面层剥离位移矩阵。当D=0 时,表示材料没有损伤;当D=1时,表示材料破坏,失去承载能力。当刚度降为0时,表示材料已失效,即黏聚单元破坏,单元即被删除。本文模拟界面厚度为0的情况,此时界面层很薄,可以忽略复合材料的层间耦合效应。内聚力单元1 8的弹性行为满足下式:t=tntstt =Kn000Ks000Kt nst =K(1 4)式中:tn为法向应力分量;ts、tt为切向应力分量;n为法向应变分量;s、t为切向应变分量;为界面单元名义应变。本文采用二次名义应力准则判断内聚力单元损伤起始:tnt0n 2+tst0s 2+ttt0t 2=1(1 5)式中:t0n、t0s及t0t分别为纯型、纯型或纯型破坏的最大名义应力。当满足上式条件时表示损伤开始。内聚力单元损伤发生后,分层损伤扩展规律由单元能量释放率决定。2 复合材料设备舱连接接头冲击模拟不考虑编织方式的影响、每个单层板作为模拟织物结构的最小研究对象,利用A B AQU S建立了设备舱连接接头处的三维有限元模型。使用VUMAT子程序实现渐进损伤计算,用来模拟设备舱连接接头在冲击载荷下的损伤过程,并对结果进行分析。2.1 有限元模型建立根据全局模型计算结果,发现应力主要集中在连接接头局部区域,为了更全面地了解接头处的受力及失效、损伤情况,建立接头局部模型。接头零部件组成结构如图2所示。采用网格偏移法生成局部复合材料连接接头模型,这种方法可节省网格绘制时间,自主定义新部件厚度。为了方便观察各个结构铺层情况,给每一个部件建立局部坐标系,定义0 铺层下的纵向纤维方向沿 X 轴,横向纤维铺层方向沿 Y 轴。为更准确模拟复合材料冲击损伤响应,网格类型采用三维实体单元 C 3 D 8 R,并选择沙漏控制。在层合板之间插入零厚度内聚力单元(C o h e s i v e E l e m e n t)用以模拟复合材料分层损伤,设置其网格类型为 C OH 3 D 8。最后界面单元有限元模型如图3所示。图2 复合材料连接接头有限元模型图3 界面单元有限元模型设备舱接头冲击载荷工况及冲头设置参考文献1 9,将冲击器设置为解析刚体以忽略冲击器在冲击过程中的变形。冲击载荷分为2种工况:(1)1-x弹体以0.6 2 5 k J初始冲击能量,不同入射角度对子模型进行冲击;(2)2-y弹体以9 0 入射角度,以不同冲击能量进行冲击。本文讨论表 1中工况下连接支架的冲击损伤。设置弹体表面与连接支架冲击平面所在区域为通用接触,考虑弹体发生嵌入或击穿连接支架的情况。4铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 对弯梁自由端、下边梁两自由端以及横梁自由端面节点施加固定约束,限制连接接头在各个方向的运动。对弹体施加除2、3方向以外的位移约束,在预定义场施加初速度矢量,控制弹体入射方向。图4为复合材料设备舱连接接头子结构的冲击有限元模型示意图。表1 冲击载荷下的参数及工况设置冲击载荷工况入射角度/()冲击能量/k J冲击粒子接触设置1-11-21-31-42-12-22-33 04 56 09 09 00.6 2 52.5 0 05.6 2 08.1 0 00.5 k g弹体 弹体表面与连接支架冲击区域所有铺层上的节点图4 复合材料设备舱连接接头子结构的冲击有限元模型2.2 接触属性设置A B AQU S中默认未事先定义接触的部件之间不存在约束,此时结构若承受较大的附加载荷,则部件之间将会发生单元穿透现象。设备舱接头结构共有1 2 0对接触对,主要分为连接支架与骨架梁、紧固件与连接支架、紧固件与骨架梁、紧固件与接头孔四大类。各类接触对的接触方式及接触属性设置如表 2所示。表2 设备舱接头结构接触对的接触方式及接触属性接触对主面从面接触属性追踪方式连接支架与骨架梁紧固件与连接支架紧固件与骨架梁紧固件与接头孔骨架梁紧固件紧固件紧固件连接支架连接支架骨架梁接头孔硬接触摩擦因数0.3硬接触摩擦因数0.3硬接触摩擦因数0.3硬接触摩擦因数0.1小滑移2.3 冲击损伤分析2.3.1 冲击损伤模型验证为了验证建模方式的合理性及VUMAT子程序的可行性,本文根据HONKA R N J ANAKU L2 0试验建立T 7 0 0 C G/M 2 1碳纤维增强环氧树脂基层合板有限元模型,采用三维实体单元建立复合材料层合板模型。试样几何尺寸为 1 5 0 mm1 0 0 mm4 mm,采用02/4 52/9 02/-4 52s A试样对称铺层方案。为更准确模拟复合材料冲击损伤响应,选择层合板中心4 0 mm4 0 mm的冲击区域进行网格细化处理。冲头整体为半球形的圆柱体结构,底部冲击部分为球体。不考虑冲击过程中支座和冲头变形带来的影响,所以将冲头和支座通过建立中心参考点将实体结构耦合成刚体。对支座参考点施加全约束,对复合材料层合板施加Z方向位移约束,只保留冲头在冲击方向的移动。对冲头施加5 m/s的速度模拟冲击过程。算例的冲击有限元模型如图5所示。图5 复合材料层合板冲击有限元模型5 复合材料设备舱接头冲击损伤研究 李 娜,刘志明,殷 怡,赵金海图6是接触力随冲击时间变化的仿真结果曲线与试验结果曲线对比,发现弹体运动趋势基本一致。在弹体和层合板接触后,弹体动能使得层合板产生振动,导致接触力曲线出现小幅度波动现象。最后接触力回零表示弹体出现反弹,与试验现象一致。图7为复合材料层合板速度-位移曲线。由图7发现,当弹体运动到最远距离即凹坑深度最大时,此时弹体动能全部转化为接头结构的形变能,弹体冲击速度为0时,层合板冲击变形达到最大。在该点之后,层合板存储的形变能转化成动能,弹体出现反弹。但是弹体并未回到初始位置,所以在该过程中存在能量消耗,即耗散的能量使层合板发生变形。观察损伤情况,发现分层单元出现损伤,内聚力单元出现破坏。与试验数据对比可以发现,本文预测模型对最大变形处的冲击时间预测较为准确,误差仅为0.1 3%。仿真 计 算 得 到 的 最 大 接 触 力 高 于 试 验 值,误 差 为5.1%。主要是因为试验中试样件受外部环境变化敏感,而仿真数据更偏于理想工况结果,弹体动能全部转化为形变能,所以凹坑深度大于试验测得的凹坑深度值。各数据误差对比如表 3所示,误差最大为7.4%,在可接受范围内。子程序可以用于后续设备舱模型的损伤预测中。图6 复合材料层合板接触力-冲击时间曲线图7 复合材料层合板速度-位移曲线表3 冲击响应数据误差结果对比最大接触力/k N冲击持续时间/m s最大凹坑深度/mm试验结果8.6 83.7 15.1 5仿真结果9.1 23.6 05.5 3误差/%5.13.07.42.3.2 损伤分析考虑到接头位置为设备舱结构的主要承载区,连接支架折弯区域和开孔区域又是薄弱位置,故将连接支架区域设为冲击位置,如图8所示。定义为入射角度,如图9所示。下面分析从倾斜位置增加到垂直方向过程中弹体角度变化对子模型结构的损伤影响情况。1、2、3、4.螺栓孔编号。图8 连接支架示意图图9 入射角度定义当子模型冲击区域的凹坑深度最大时,观察此时子模型各部件失效情况。图1 0是弹体冲击位移达到最大时连接支架、横梁和下边梁的M i s e s 应力云图,最大应力位于连接支架底层,最大值为7 3 1.9 MP a。对比应力云图和失效区域分布情况,发现高应力区一般为失效起始区。连接横梁与下边梁的连接支架发生纵向纤维失效以及分层失效的组合失效模式时,失效因子大于1,结构进入损伤阶段。损伤主要以铆钉孔边、两侧折弯、冲击区域背面和螺栓孔等薄弱区为主要损6铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 伤区域进行扩展,但是各损伤值仍小于1,未达到结构破坏限值。在螺栓和铆钉的作用下,弹体冲击力部分传递给横梁、下边梁结构,导致这两部件在与紧固件接触表面产生较大的载荷冲击,使其在螺栓孔边和铆钉孔边出现较大的接触应力,最后在结构薄弱区出现与连接支架相同的组合失效模式,但是损伤值小于连接支架的损伤。对于弯梁以及弯梁和下边梁之间的连接件来说,受到的冲击力在经过载荷传递之后被大大降低,此部件受弹体冲击影响很小,应力值未发生大的变化,结构并未出现任何模式的失效。图1 0 冲击位移最大时各部件M i s e s应力云图当弹体沿全局坐标系Z轴负方向运动时的冲击位移达到最大时,观察损伤状态变量值发现,此时分层损伤值小于1,当入射角度不垂直时,分层损伤值随着铺层数逐渐向冲击表面靠近而增大,且损伤区域由紧固件孔边向冲击区域逼近;当弹体垂直冲击设备舱子结构时,连接支架在中间铺层位置处的层间损伤值最大,此时背离冲击面铺层的损伤大于冲击面位置的损伤。当弹体冲击位移反向增加时,子模型结构存储的变形能部分转变为弹体动能,使得弹体出现反弹,一部分被子模型吸收,损伤值继续变化,当速度处于稳定值时,各角度下分层损伤如图1 1所示。连接支架各铺层均出现分层损伤,分层损伤区域由之前的冲击区域集中到冲击平面所在的铆钉孔处,其他紧固件孔边只有轻微的损伤产生。观察各分层单元损伤情况可知,单元越靠近冲击表面区域,则损伤程度越严重。图1 1 连接支架的分层损伤区域控制弹体冲击能量为0.6 2 5 k J,改变弹体入射角度,分析弹体冲击时接头位置产生的最大凹坑深度以及弹体剩余冲击速度随入射角度变化情况,两者变化关系如图1 2和图1 3所示。图1 2 接头最大凹坑深度-入射角度曲线由图1 2、图1 3可知:(1)最大凹坑深度随入射角度呈二次函数变化趋势,当弹体垂直射入冲击平面时,支架表面产生的冲击7 复合材料设备舱接头冲击损伤研究 李 娜,刘志明,殷 怡,赵金海变形最大。相应地,弹体剩余冲击速度随入射角度近似呈指数变化趋势。弹体剩余冲击速度随入射角度增加而减小,该值在4 5 入射角位置出现明显断层式改变。当入射角度小于4 5 时,弹体剩余冲击速度随入射角度增加急剧下降;当入射角度大于4 5 时,剩余冲击速度减小趋于平缓,未随入射角度增加显著减小。(2)分析弹体运行状态,弹体存在Y轴和Z轴两个方向上的分力,随着入射角度的增加,分解到Z轴方向上的分量越大,在冲击方向产生的位移也就越大,因此出现凹坑最大深度随入射角度增加的变化。同理,大的入射角度使支架产生更深的凹坑,凹坑位移最大时冲击速度为0,此时弹体动能转化为子模型的形变能。之后存储在子模型中的部分形变能转化为弹体动能,使得弹体出现反弹现象;另一部分的形变能使冲击区域产生损伤,冲击速度越大子模型吸收的能量也会越多,弹体耗散能增加导致弹体剩余速度衰减。图1 3 弹体剩余冲击速度-入射角度曲线固定弹体入射角度为9 0,改变弹体初始冲击能量,分析其在不同冲击速度下的损伤,得到最大凹坑深度随冲击速度的变化趋势如图1 4所示。弹体最大位移随冲击速度近似呈线性增长,冲击速度越高,弹体产生的最大位移越大,并且分析发现当速度超过一定值时,弹体会出现击穿现象,此结论与文献1 9 中的结果一致。弹体冲击速度增大时,初始状态下能量仍是由动能向子模型结构的形变能转化,在能量守恒的条件下,形变能会转化成动能,使弹体产生回弹现象;但是当能量足够大时,子模型结构刚度和强度不再足以支撑其继续承载,子模型冲击区域将会产生永久塑性变形甚至破坏,弹体产生“击穿运动”,表现为子模型结构的冲击变形能大幅度增加。子模型结构冲击中的吸收能随冲击速度变化趋势如图1 5所示。冲击速度为1 0 0 m/s时,支架表面出现明显凹坑,并首次出现纵向纤维损伤,在弹体反弹后的速度达到稳定时,0 铺层横向纤维损伤变量达到1。随着速度增加,损伤区域从冲击点沿4 5 方向向铆钉孔所在的板边扩展,且均匀地分散在冲击平面上,逐渐呈现V字型扩展趋势,冲击面及该平面上的铆钉孔损伤愈发严重。由此可知,在1 0 0 m/s冲击速度下连接支架的失效模式以横向纤维失效和分层失效为主。连接支架损伤如图1 6所示。图1 4 冲击区域最大凹坑深度随冲击速度的变化图1 5 接头冲击吸收能随冲击速度的变化图1 6 1 0 0 m/s冲击速度下连接支架横向纤维损伤冲击速度在1 5 0 m/s时,连接支架在两侧圆弧折弯位置出现横向纤维方向的拉、压损伤。观察冲击过8铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 程发现,当弹体正向冲击到最大位移位置时,连接支架各损伤值均小于1,之后弹体发生回弹,回弹后在某一速度下达到稳定状态,弹体速度将不再发生改变。在这一过程中,横向纤维损伤的状态变量会在速度刚稳定的那一时刻达到1,损伤位置位于连接支架第1 1铺层(0 铺层)右侧圆弧折弯边缘(图1 7)。在这一时刻之后所有状态变量均开始降低,维持在小于1的值内发生微小改变,表明结构可以继续承载。由此,以我国高速列车最高运营速度2 1(约1 0 0 m/s)和最高试验速度(1 3 4 m/s)作为冲击速度时,结构均可以保证安全运用。冲击速度提高至1 8 0 m/s时,弹体完全嵌入支架内部,结构产生彻底损坏。此时弹体耗散能转化为子模型结构的变形能,支架结构冲击区域位置产生永久变 形,冲 击 结 束 后 弹 体 冲 击 连 接 支 架 向 下 运 动2 8.5 5 mm,弹体状态如图1 8所示。图1 7 1 5 0 m/s冲击速度下连接支架横向纤维损伤图1 8 1 8 0 m/s冲击速度下弹体状态示意图3 结论(1)本文开发了VUMAT子程序进行冲击过程模拟,建立了用于复合材料机械连接接头的渐进损伤冲击模型。使用基于应变的H a s h i n改进失效准则作为失效判据,结合等效位移法的双线性退化方案进行刚度折减,采用C o h e s i v e模型模拟层间损伤情况。与文献结果进行对比,得到冲击响应的最大接触力、冲击持续时间和最大凹坑深度的误差分别为5.1%、3.0%和7.4%,层合板损伤情况与弹体运动轨迹和文献一致,验证了模型的准确性。(2)弹体初始冲击速度一定时,入射角度越大,子模型冲击区域最大凹坑深度越大,弹体剩余速度越小。在4 5 入射角度的弹体冲击下,层间损伤值达到最大,越靠近冲击平面,损伤程度越严重。弹体垂直冲击时,损伤值在中间铺层达到最大,背离冲击面的铺层损伤值大于冲击面位置损伤值。(3)冲击入射角度一定时,冲击速度越大,弹体回弹所需时间越少,冲击平面产生的凹坑位移越大,冲击产生的凹坑深度随着冲击速度近似呈线性变化。弹体在冲击中的耗散能随冲击速度增加呈幂函数趋势增长。当速度足够大时,弹体产生击穿运动,此时弹体动能全部被子模型结构吸收,从而导致弹体耗散能出现大幅增长。(4)在冲击载荷下,设备舱连接支架及与其接触的横梁、下边梁发生横向纤维失效和分层失效为主的损伤,当冲击速度增大到1 0 0 m/s时,连接支架率先发生纵向纤维损伤,与其他2种损伤相同,越靠近冲击平面,该损伤变量值越明显。(5)在1 5 0 m/s的冲击速度下,设备舱接头薄弱区域处会产生冲击凹陷,发生横向纤维的损伤模式,结构仍可以继续承载。以我国高速列车最高运营速度(1 0 0 m/s)和最高试验速度(1 3 4 m/s)作为冲击速度时,结构均满足安全运用需要,故现役高速列车设备舱在此冲击载荷下满足安全运行的要求。参考文献:1 马玉娥,杜永华,许盼福.基于黏聚区模型的Z-p i n增强复合材料T型接头分层损伤研究J.西北工业大学学报,2 0 1 5,3 3(3):3 7 5-3 8 1.MA Y ue,D U Y o n g h u a,X U P a n f u.D a m a g e e v o l u t i o n o f Z-p i n r e i n f o r c e d c o m p o s i t e T-j o i n t b a s e d o n s i m p l i f i e d b r i d g i n g t r a c t i o n m o d e lJ.J o u r n a l o f N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y,2 0 1 5,3 3(3):3 7 5-3 8 1.2 A T A S A,S OUT I S C.A p p l i c a t i o n o f c o h e s i v e z o n e e l e-m e n t s i n d a m a g e a n a l y s i s o f c o m p o s i t e s:s t r e n g t h p r e d i c-t i o n o f a s i n g l e-b o l t e d j o i n t i n C F R P l a m i n a t e sJ.I n t e r-n a t i o n a l J o u r n a l o f N o n-l i n e a r M e c h a n i c s,2 0 1 4,6 6:9 6-1 0 4.3 温卫东,徐颖,崔海坡.低速冲击下复合材料层合板损伤分析J.材料工程,2 0 0 7(7):6-1 1.WE N W e i d o n g,X U Y i n g,C U I H a i p o.D a m a g e a n a l y s i s o f l a m i n a t e d c o m p o s i t e s u n d e r l o w v e l o c i t y i m p a c t l o a d i n gJ.J o u r n a l o f M a t e r i a l s E n g i n e e r i n g,2 0 0 7(7):6-1 1.