T300_69层合板多角度冲击下的数值模拟研究_刘俭辉.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、 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
10、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
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