复合材料结构低速冲击损伤预测

发布时间：2020-03-16 23:00

【摘要】：复合材料的使用可以显著提高结构的强度和实现轻量化,在航天航空和汽车关键零部件制造领域复合材料的应用非常广泛。但是复合材料显著的各向异性使得结构对冲击载荷即使是低速冲击载荷的抵抗能力非常低,容易产生各种冲击损伤,因此,研究复合材料结构在冲击载荷下的损伤形式、演化过程及影响因素十分必要。分层损伤是层合板在低速冲击下的最主要损伤形式,本文首先探讨了界面层法在分层研究中的应用,建立了含有界面层单元的复合材料DCB模型,验证了模型在拉力分层下的响应并研究了铺层夹角对拉力分层的影响。铺层夹角对DCB模型拉力下分层的扩展和峰值拉力影响显著,峰值拉力随夹角的增加而减小,当铺层夹角较小时变化较快,铺层夹角较大时变化趋缓。利用有限元软件Abaqus和用户材料子程序VUMAT,建立了复合材料层合板低速冲击下的整体三维有限元模型,模拟了层合板低速冲击下的响应和损伤。通过与文献实验结果对比,验证了模型和子程序的准确性。结果表明,复合材料层合板低速冲击下的主要损伤有基体开裂和分层,基体开裂的出现早于分层,分层由基体开裂引起,二者相互作用;冲击位置附近基体开裂单元分布受正应力和切应力共同作用,远离冲击位置的基体开裂单元分布主要有正应力决定;在铺层角度发生改变的子层间均出现分层,其中远离冲击位置一侧分层更为严重,分层区域呈双叶形,长轴沿下方子层纤维铺设方向。最后研究了冲击速度、冲头质量、复合材料参数及铺层角度对层合板低速冲击损伤的影响,对比分析了层合板变形、基体开裂和分层损伤的变化原因。层合板冲击变形和损伤受冲击速度影响显著,与冲头质量关系不大;复合材料性能的提升能够有效减小冲击变形,降低冲击损伤,其中剪切强度影响层合板受冲击位置附近基体开裂单元的分布;铺层角度的改变对层合板冲击下的变形和基体开裂影响不大,但是显著影响分层损伤,分层面积随铺层夹角的增大而增大,铺层夹角越小时,分层面积随夹角变化越快,铺角夹角越大时,分层面积的变化趋缓。
【图文】：

应力图,失效形式,应力,剪切强度

2 222 22 2222 12212 12 12114 4CdC CYeS S Y Y S 层损伤：22 22 33 23 311r 23 311leZ S S 中 11 、 22 、 33 分别为单元在纤维方向、横向和厚度方向的应力横向的剪切应力； 23 为横向与厚度方向的剪切应力； 13 为纤维向的剪切应力； TX、 TY、 TZ分别为纤维方向、横向与厚度方向12S 为纤维与横向间的剪切强度；23S 为横向与厚度方向间的剪切强方向与厚度方向的剪切强度；fS 纤维失效的剪切强度；m23S 为横间的剪切强度；l23S 为横向与厚度方向间的分层剪切强度。各失的应力关系如图 2.1。

分层损伤,预测模型

复合材料渐进失效理论与层合板损伤模型合板低速冲击损伤预测模型合材料层合板结构在低速冲击下，主要的损伤形式为基体开裂，维失效。好的预测模型不仅要尽可能准确的预测以上三种损伤，的区分结构发生了何种损伤形式。图 2.2 为早期的有限元预测模整体模型，采用实体单元建模，在材料模型中添加上述失效准则减方案。这种模型的优点在于建模和前处理比较方便，，缺点是对测不够准确。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33

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