复合材料结构的贯穿性低速冲击损伤和剩余压缩性能分析

【作者】 周俊臣； 黄争鸣；

【机构】 同济大学；

【摘要】 目前,复合材料的损伤演化数值分析仍需借助大量试验来标定输入参数,其中一些参数尚未建立标准化测量方案。而开展冲击仿真时,部分参数或需根据冲击试验本身结果试错调整。针对相关问题,本文基于细观力学方法提出了一种损伤模型来分析复材层板结构在低速冲击和冲击后压缩下的损伤演化行为和承载能力。本文模型中,层合板各相邻单向层(称为主层)间均插入与复材基体性能一致的纯树脂薄层(称为副层)。在此基础上,统一考虑各种外载引发的层内损伤(纤维断裂、基体破裂、纤维-基体界面开裂和主层致命破坏)和分层。一方面,结合桥联模型和真实应力理论确定层内纤维和基体的真实应力,并采用独立的判据识别各种损伤模式。通过删除满足致命破坏(纤维断裂或基体破裂+极限应变条件)的单元模拟主层宏观破碎行为。另一方面,采用粘聚移除法(又称层间基体应力修正法)分析层间损伤。由单向复材双悬臂梁(DCB)和端部开口弯曲(ENF)试验临界位移导出的两个系数修正副层应力,通过删除满足强度破坏的副层单元模拟分层萌生和扩展行为。本文根据层合板底部宏观破碎区域与冲头投影面积的比值判断冲击是否形成贯穿性损伤。当该比值达到1.1时,冲击形成贯穿性损伤,模拟随即终止;当该比值小于1.1且冲击接触力衰减至0时,冲击未形成贯穿性损伤,模拟亦终止。同时,通过预定义场和重启动分析在层合板模型中引入冲击损伤信息,进而实现低速冲击和冲击后压缩的全过程模拟。本文模型的全部输入参数,包括纤维、基体基本力学性能和单向复材横向拉伸强度及DCB、ENF试验载荷-位移曲线,均可借助现行标准试验直接确定,且基于本文模型开展的数值计算过程无需迭代。在多种冲击速度和能量下,仿真预测的冲击接触力/位移/能量-时间曲线、压缩载荷-位移/应变曲线和层合板损伤形貌均与试验结果吻合良好,剩余压缩强度与试验值误差小于8.9%,分层投影面积与无损检测结果误差小于12%,验证了本文模型的有效性。更多还原