碳纤维增强复合材料夹芯板的砰击损伤特性_王松.pdf
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1、DOI:10.11858/gywlxb.20220653碳纤维增强复合材料夹芯板的砰击损伤特性王松1,2,3,李应刚1,2,3,黄鑫华1,2,李晓彬1,2(1.武汉理工大学高性能舰船技术教育部重点实验室,湖北武汉430063;2.武汉理工大学船海与能源动力工程学院,湖北武汉430063;3.武汉理工大学三亚科教创新园,海南三亚572025)摘要:复合材料高速船舶在复杂多变的海况中航行时,由于船体结构自身的大幅升沉和纵荡运动,不可避免地会与波浪产生砰击作用,可能产生结构损伤甚至失效。采用欧拉-拉格朗日方法建立了复合材料层合板砰击数值模型,将模拟结果与文献中的试验结果进行对比,验证了流固耦合渐进损
2、伤分析方法的可靠性。在此基础上,建立了碳纤维增强复合材料夹芯板入水砰击流固耦合数值模型,编写了 VUMAT 子程序,研究了复合材料夹芯板渐进损伤演化特性,分析了砰击水动力载荷、射流和水压分布特性,研究了砰击速度和斜升角对夹芯板损伤特性的影响规律。结果表明,碳纤维增强复合材料夹芯板入水砰击过程经历 4 个阶段,即初始增长阶段、波动阶段、急剧上升阶段和迅速下降阶段。砰击载荷作用下复合材料夹芯板产生基体损伤和分层损伤,随着砰击速度提升和斜升角增大,砰击水动力载荷逐渐增加,复合材料夹芯板面板损伤范围逐渐扩大。关键词:砰击载荷;碳纤维复合材料;夹芯结构;损伤演化;流固耦合中图分类号:O347;U674.
3、7文献标识码:A当前,船舶朝着高速化、轻量化方向发展,传统材料已不能满足新型船舶的要求。复合材料及其夹芯结构由于具有质量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀、可设计性强等优异性能,在船舶制造领域得到了越来越广泛的应用12。然而,复合材料对冲击载荷十分敏感,发生损伤破坏时材料表面通常完好无损,但结构内部可能已经出现断裂分层等严重损伤,导致剩余强度明显下降,降低了结构的安全性,给复合材料船舶结构安全带来严重的威胁和极大的挑战。因此,国内外学者针对冲击载荷作用下复合材料及其夹芯结构损伤特性开展了大量研究。Hosur 等3对不同芯层材质的复合材料泡沫夹芯板进行了低速冲击试验,采用扫描电镜和显微镜揭示了夹芯板的
4、损伤及失效模式。Zhu 等4研究了低速冲击下复合材料泡沫夹芯结构的动态响应,进一步分析了结构成分在能量吸收中的贡献,得到了在冲击过程中面板的渐进损伤失效情况。Long 等5通过实验与数值模拟相结合的方法研究了复合材料泡沫夹芯结构在低速冲击载荷下的损伤失效特征,分析了不同冲击能量和泡沫密度对夹芯板损伤模式的影响,揭示了结构内部的分层失效及芯层破坏特征。Elamin 等6研究了北极条件下复合材料泡沫夹芯板的冲击响应和损伤机理,分析了温度对复合材料夹芯板损伤的影响。Liu 等7采用数值模拟与实验方法研究了复合材料夹芯板的冲击损伤特性,开展了受损复合材料夹芯结构的压缩力学特性和剩余强度评估。刘珊珊等8
5、研究了复合材料夹芯结构在冲击载荷下的损伤模式,并考虑了芯层相对密度和厚度耦合作用的影响。刘莹等9通过试验的方法研究了老化后复合材料夹芯板的抗冲击性能,结果表明,随*收稿日期:2022-09-14;修回日期:2022-10-10 基金项目:国家自然科学基金(11972269);武汉理工大学三亚科教创新园开放基金(2021KF0029)作者简介:王松(1997),男,硕士,主要从事复合材料游艇结构性研究.E-mail: 通信作者:李应刚(1988),男,博士,副教授,主要从事船舶结构安全与冲击防护研究.E-mail:第37卷第1期高压物理学报Vol.37,No.12023年2月CHINESEJOU
6、RNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSFeb.,2023014203-1着老化温度和老化时间的提升,夹芯板的抗冲击能力呈现阶梯式下降。现有研究主要针对质量块接触碰撞冲击下复合材料夹芯结构的损伤特性。高速船舶在复杂多变的海况中航行时,由于船体结构自身的大幅升沉和纵荡运动,不可避免地会与波浪产生砰击作用1011,可能产生结构塑性变形甚至失效。然而,复合材料夹芯结构由复合材料上下面板与轻质芯层构成,具有组元成分复杂性和损伤模式多样性,其流体砰击损伤特性和损伤演化规律尚不清楚。本研究拟采用欧拉-拉格朗日方法建立碳纤维增强复合材料夹芯板入水砰击流固耦合数值模型,编写 VUMAT 子程序,探讨
7、复合材料夹芯板渐进损伤演化特性,分析砰击水动力载荷、射流和水压分布特性,为其在舰船安全与轻量化领域的应用提供依据。1 有限元模型建立 1.1 砰击模型采用 ABAQUS 软件建立复合材料夹芯板砰击有限元模型,如图 1(a)所示,其中:v 为砰击速度,为斜升角。考虑到砰击问题的对称性,建立 1/2 模型,以减少计算时间。复合材料夹芯板由上下两个面板、PVC 泡沫夹芯和黏性层组成,如图 1(b)所示,其中 A、B、C 代表 3 个监测点的位置。面板的厚度为 2mm,分为 4 层,每层厚度为 0.5mm,铺层角度为 0/90/90/0,PVC 泡沫芯层厚度为 20mm,黏性层位于面板与芯层之间,厚度
8、为 0.01mm,用来模拟分层损伤,长 450mm,宽 300mm。欧拉域的尺寸为1.30m1.00m1.00m,其中水域深度为 0.86m,空气域高度为 0.14m。复合材料面板的材料参数如表 112所示,其中:E1、E2、E3分别为 x、y、z 方向的杨氏模量,12、13、23分别为 xy、yz、xz 面的泊松比,G12、G13、G23分别为 xy、yz、xz 面的剪切模量,为密度,Xt、Xc分别为 x 方向(纵向)的拉伸强度和压缩强度,Yt、Yc分别为 y 方向(横向)的拉伸强度和压缩强度,Zt、Zc分别为 z 方向(竖向)的拉伸强度与压缩强度,S12、S13、S23分别为 xy、yz、
9、xz面的剪切强度。(b)Sandwich panel450 mm300 mm100 mm125 mm125 mmABCUpper face sheetBottom face sheet0.86 m1.00 m1.30 m0.14 mWaterAirv(a)Slamming model.Interface 1Interface 2PVC foam图1砰击模型和夹芯板示意图Fig.1Schematicdiagramoftheslammingmodelandsandwichpanel表 1 复合材料面板的材料参数12Table 1 Material properties of composite p
10、anel12E1/GPaE2/GPaE3/GPa121323G12/GPaG13/GPaG23/GPa/(kgm3)146.911.3811.380.300.300.426.16.15.71380Xt/MPaXc/MPaYt/MPaYc/MPaZt/MPaZc/MPaS12/MPaS13/MPaS23/MPa1730137929.5268.215171.8133.8133.8100第37卷王松等:碳纤维增强复合材料夹芯板的砰击损伤特性第1期014203-2 1.2 渐进损伤分析法相对传统金属材料而言,复合材料损伤模式较复杂,呈现逐渐损伤的特点。为此,基于 VUMAT子程序建立了复合材料夹芯板砰
11、击渐进损伤分析方法,分析流程如图 2 所示。复合材料的本构方程为|112233122313|=|C11C12C13C12C22C23C13C23C33G12G23G13|112233122313|(1)其中|C11=1v32v23E2E3,C12=v21+v23v31E2E3,C22=1v31v13E1E3C13=v31+v21v32E2E3,C23=v32+v12v31E1E3,C33=1v12v21E1E2=1v12v21v23v32v13v312v21v13v32E1E2E3(2)三维 Hashin 失效准则考虑了材料的 4 种破坏模式:纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体拉伸失效、基体压缩
12、失效。纤维拉伸失效Sft=(11Xt)2+(12S12)2+(13S13)2,11 0(3)BeginApply boundaryconditions and loads Calculate strain andstress ElementfailedYesCalculate damagevariables Stiffness degrationIncrementstep endNoEndHashinFiber tension failureFiber compression failureMatrix tension failureMatrix compression failure1102
13、2+330NoNoNoYesYesYesFinite element model图2渐进损伤分析法流程图Fig.2Flowchartofprogressivedamageanalysis第37卷王松等:碳纤维增强复合材料夹芯板的砰击损伤特性第1期014203-3纤维压缩失效Sfc=(11Xc)2,11 0(4)基体拉伸失效Smt=(22+33Yt)2+2232233S223+(12S12)2+(13S13)2,22+33 0(5)基体压缩失效Smc=22+33Yc|(Yc2S23)21|+(22+332S23)2+2232233S223+(12S12)2+(13S13)2,22+33 0(6)
14、式中:ij(i,j=1,2,3)代表各方向的应力。当满足 Hashin 失效准则后,材料开始出现损伤,其结构的承载能力减弱,材料性能退化。采用线性且连续的损伤模式模拟损伤区域的渐进损伤过程。材料的损伤程度通过相应的损伤变量表达,损伤变量 d 是关于失效因子和断裂能量的连续函数,表达式为d=feq(eq0eq)eq(feq0eq)(7)0eqfeqfeq=2GC/(0eqLC)0eq式中:eq为等效应变;为损伤起始应变;为最终损伤应变,其中 GC为临界应变能释放率,为损伤起始应力,LC为单元特征长度。当材料出现损伤时,需要对损伤区域的单元进行刚度折减,即将损伤变量参与到之前的刚度矩阵中,新的刚度
15、矩阵表达式为Cd=|C11C12C13C12C22C23C13C23C33G12G23G13|(8)|=(1dft)(1dfc)=(1dft)(1dfc)(1dmt)(1dmc)=(1dft)(1dfc)(10.9dmt)(10.5dmc)(9)式中:dft为纤维拉伸损伤状态变量,dfc为纤维压缩损伤状态变量,dmt为基体拉伸损伤状态变量,dmc为基体压缩损伤状态变量。1.3 网格划分与边界条件复合材料夹芯板砰击模型的网格划分如图 3(a)所示,复合材料夹芯板整体网格尺寸为 5mm,其中复合材料面板和泡沫芯层采用 C3D8R 实体单元,黏性层采用 COH3D8R 单元。流体域采用 EC3D8R
16、 欧拉单元描述,根据模型尺寸确定特定的砰击区域,在砰击区域附近采用种子分布较均匀的精细网格,以确保数值模拟的精度,远离砰击区域采用相对较粗的网格,以提高计算效率。图 3(b)为复合材料夹芯板砰击模型的边界条件,考虑到模型的对称性,只建立 1/2 模型,在对称面上设置对称边界条件,其余表面的所有自由度方向完全固定,以确保流体域的范围。为了避免反射波的影响,对欧拉域的外表面设置无反射边界条件,采用通用接触,面板、粘性层和泡沫芯层均采用 Tie 绑定约束,对复合材料夹芯板和夹紧板施加 Z 方向的初始速度。第37卷王松等:碳纤维增强复合材料夹芯板的砰击损伤特性第1期014203-4 1.4 模型可靠性
17、验证为了验证流固耦合数值模拟方法的可靠性,根据 Hassoon 等13开展的复合材料层合板砰击实验,建立了复合材料层合板的流固耦合砰击数值模型。复合材料层合板的尺寸为 500mm250mm,厚度为8mm,分为 12 层,铺层角度为 0/903s,斜升角为 10,欧拉域尺寸为 1.5m1.0m1.0m,其余参数均与1.1 节一致。选择 6m/s 砰击速度的实验工况,通过水动力载荷以及监测点 C 的微应变与实验结果进行对比验证,结果如图 4 所示,其中 为铺层角。从图 4 中可以看出,数值模拟得到的水动力载荷以及监测点微应变均与实验结果吻合较好,表明本研究提出的流固耦合砰击渐进损伤分析方法具有较高
18、的可靠性。Velocity boundarySymmetry boundarySlamming(a)Meshing model(b)Boundary conditionsregionNon-reflecting boundary图3网格划分及边界条件示意图Fig.3Schematicsofmeshingandboundaryconditions=0=90(a)Experimental modelHydraulic pistonFixture systemComposite panel(b)Laminate04812161001020304050Hydrodynamic force/kNExpe
19、riment13Simulation13Verified modelTime/msTime/ms(c)Hydrodynamic force Verified model0510152 0001 00001 0002 0003 0004 0005 0006 000(d)Microstrain at point CMicrostrainExperiment13Simulation13图4数值模型验证Fig.4Verificationofthenumericalmodel第37卷王松等:碳纤维增强复合材料夹芯板的砰击损伤特性第1期014203-5 2 砰击损伤特性 2.1 水动力载荷及射流水动力载荷
20、特性通常是力学响应最直观的体现,分析水动力载荷特性对于揭示结构的水弹性效应具有重要的意义。通过流固耦合数值模拟监测了复合材料夹芯板在 10m/s 砰击速度下的水动力载荷,如图 5(a)所示。从水动力载荷曲线选取 a、b、c、d4 个时刻(0.93、7.04、7.39、7.84ms)展示水域的水压分布及射流现象,如图 5(b)图 5(e)所示。从图 5 中可以发现,整个砰击过程一共经历 4 个阶段,即初始增长阶段、波动阶段、急剧上升阶段和迅速下降阶段。从零时刻到 a 时刻是初始增长阶段,在该阶段夹芯板与水域瞬间接触,可以认为是刚性接触。a 时刻水域射流不明显,压力主要分布在夹芯板与水域接触的位置
21、。从 a 时刻到 b 时刻是波动阶段,这可能是因为夹芯板振动以及局部斜升角发生变化导致夹芯板与水面的接触压力不稳定。b 时刻水射流现象逐渐增加,压力分布向纵向扩展。从 b 时刻到c 时刻,载荷迅速上升达到最高值,此时夹芯板湿表面积迅速增加。c 时刻下面板完全浸没,水射流现24681001020304050Time/ms(a)Hydrodynamic force-time curvedcba(b)t=0.93 ms(c)t=7.04 ms(d)t=7.39 ms(e)t=7.84 msStress/MPa(Avg.:75%)5.4604.9654.4703.9753.4802.9852.4901
22、.9941.4991.0040.5090.0140.481Stress/MPa(Avg.:75%)0.9800.8740.7680.6630.5570.4510.3450.2400.1340.0280.0780.1840.290Stress/MPa(Avg.:75%)2.0441.8161.5881.3601.1320.9050.6770.4490.2210.0070.2350.4630.691Stress/MPa(Avg.:75%)2.3332.0941.8561.6181.3801.1410.9030.6650.4270.1880.0500.2880.526Hydrodynamic for
23、ce/kN图5水动力载荷曲线和不同时刻下的射流Fig.5Hydrodynamicforceandflowjetatdifferentmoments第37卷王松等:碳纤维增强复合材料夹芯板的砰击损伤特性第1期014203-6象非常明显,压力分布逐渐扩展到整个水域。从 c 时刻到 d 时刻是迅速下降阶段,该阶段夹芯板完全浸没,水弹性效应减弱。d 时刻水射流达到最大,压力分布主要集中在夹芯板尾部区域。2.2 渐进损伤为了揭示复合材料夹芯板在砰击过程中的渐进损伤特性,计算得到复合材料夹芯板在 10m/s 砰击速度下的损伤演化过程,如图 6 所示,其中面板中的红色区域代表基体损伤,黏性层中的白色区域代表
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