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纤维增强树脂基复合材料层合板抗侵彻性能数值模拟研究

辛士红  
【摘要】:本文对纤维增强树脂基(Fibre-Reinforced Plastics or FRP)复合材料的抗弹性能进行了较为系统的数值模拟研究。在分析前人研究工作的基础上,提出了纤维增强树脂基复合材料动态渐进损伤本构模型,利用ABAQUS/VUMAT嵌入了所提出的FRP复合材料本构关系,并对FRP层合板及其结构进行了数值模拟研究,本文主要包括以下几个方面的内容: 1.提出了纤维增强树脂基复合材料层合板在冲击载荷作用下的渐进损伤本构模型。该模型是建立在连续损伤力学基础上的,并且假定可分为两个阶段,即损伤发生前的线弹性硬化阶段和损伤发生后的损伤软化阶段。FRP材料不同形式的破坏是通过二次形式的应力失效准则来描述的,如纤维的拉伸断裂、压缩失效、基体的开裂、层间剪切、厚度方向上的压溃失效以及层间分层。在失效准则中,考虑了厚度方向上的剪应力以及正应力对不同失效模式的影响,同时认为层间分层破坏不仅发生在层间正应力为拉应力的情况下,而且当层间正应力为压应力但剪切应力足够大的情况下也有可能发生。 模型认为材料满足失效准则后,损伤逐渐积累,刚度逐渐缩减直至达到最终破坏。通过引入损伤因子来描述材料刚度随不同形式损伤发展的衰减程度。提出了两种不同的损伤软化形式,一种为指数形式,一种为线性形式,两者都通过相应的损伤变量来控制材料刚度受损伤积累而下降的快慢。前者通过应力-应变关系描述,后者则通过引入断裂能的概念,利用应力-位移关系来描述材料的本构方程,从而在一定程度上降低了有限元模型由于应变集中而造成的网格依赖性,并举例对模型的网格依赖性作了对比分析。 模型通过引入动态增强因子的概念,通过数据统计的方法在统一框架内描述了材料的强度和模量的应变率效应。 2.利用ABAQUS/VUMAT将所提出的模型通过用户自定义子程序VUMAT嵌入到AbBAQUS/Explicit有限元程序,对FRP层合板在弹丸作用下的响应和破坏(穿透)进行了数值模拟研究。包括平头弹以及非平头弹(如锥头弹、球头弹、卵形弹等),复合材料层合板,包括CFRP、GFRP、KFRP层合板等。数值模拟计算结果与实验所得到的变形形貌、残余速度、弹道极限以及载荷-位移曲线等与相关实验数据作了比较,二者吻合较好,表明本文所建立的模型具有一定的预测性和可靠性。 3.利用所提出的FRP复合材料动态渐进损伤本构模型数值模拟研究了曲率对于FRP复合材料层合板抗弹性能的影响,以及不同材料组合形式的复合板的弹道极限。结果表明:曲率的存在提高了FRP层合板的弹道极限且当FRP层合板的曲率为5.0m-1时弹道极限最高;以铝合金、GFRP、KFRP复合材料为单层板组合时,按照Aluminum-GFRP-KFRP顺序组合的多层板弹道极限最高。 4.对PASGT头盔在碎片模拟弹(Fragment Simulating Projectile or FSP)撞击下的响应进行了数值模拟,建立了头部较为详细的有限元模型,其中包括头皮、颅骨、脑脊液以及脑组织等。研究了碎片模拟弹撞击头部不同部位(如前额、顶部、枕部、两侧)时头盔以及头内部各部分的响应和损伤。结果表明:当碎片模拟弹撞击头盔前额部位时,头内部所承受的应力最大、压力最小,受到的伤害风险也最小;而当碎片模拟弹撞击头盔顶部位置时,头内部所承受的应力最大、压力最大,受到伤害的风险最大;随着弹丸冲击角度的增大(从斜撞击到正撞击),颅骨所受的最大应力以及脑组织的最大压力不断增大,头部受损伤的风险也随之增大。


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