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动力学参数对复合材料层压板低速冲击损伤特性的影响研究

陈亚军  
【摘要】:复合材料由于具有比强度高、比模量高、可设计性强等优异特性而被广泛应用于航空航天、汽车以及新能源等领域,但抗冲击性能差的缺陷严重阻碍了复合材料的进一步应用与发展,特别是低速冲击作用下的损伤对复合材料的承载能力构成了很大的威胁。复合材料结构及冲击物体的动力学参数会影响结构所受的冲击力,从而影响冲击损伤特性,因此,研究和预测复合材料结构在各种动力学参数下的低速冲击损伤具有十分重要的意义和应用价值。 本文采用数值模拟的方法研究了多种动力学参数对复合材料层压板低速冲击损伤特性的影响。首先,基于ABAQUS有限元仿真平台,建立了复合材料层压板的三维冲击有限元模型。在该模型中,主要考虑了层压板在低速冲击作用下的纤维断裂、基体开裂、基体挤压破坏和分层这四种损伤模式。面内损伤通过实体单元进行模拟,分层损伤则由cohesive单元进行预测,一旦层压板在低速冲击作用下产生损伤,则通过VUMAT子程序对损伤区域的刚度进行折减。采用三维冲击有限元模型,并且结合VUMAT子程序,对层压板在低速冲击作用下的损伤进行预测。将预测结果与实验结果进行比较,发现两者相吻合,从而验证了该模型的正确性。 然后,采用上述仿真方法研究了比例效应对层压板低速冲击响应和损伤的影响。根据模型相似原理建立三种不同比例的层压板三维冲击有限元模型,通过对该模型进行分析,并且比较不同冲击速度下的冲击响应,发现:在层压板内不出现冲击损伤的情况下,各模型的冲击持续时间和接触力的规律符合所依据的相似准则,一旦出现冲击损伤,则冲击持续时间和接触力的变化与相似理论解有所差别;如果缩比模型的冲击速度比例等于尺寸比例的平方根,则两个模型中的分层损伤的相对尺寸基本是相同的,该结果与已有的实验结果相吻合;而对各模型中由冲击所产生的面内损伤(纤维损伤、基体开裂损伤和基体挤压损伤)的分析表明,损伤尺寸比例则不符合该规律。 板的支持跨度和冲头与板的质量之比影响冲击响应,本文针对长度和宽度方向尺寸发生变化,但铺层构型保持不变的复合材料层压板的冲击问题,采用有限元分析的方法研究了中等质量和大质量冲头冲击下支持跨度对层压板低速冲击响应和损伤的影响。 最后,本文基于数值模拟方法探讨了冲头质量和冲击速度等动力学参数对层压板低速冲击响应与损伤的影响。此外,还分析了同等冲击能量下,冲头质量对于层压板的冲击响应与损伤的影响。


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