纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤数值模拟

根据复合材料三维黏弹性本构关系, 建立了纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤的数值分析模型。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度折减方案, 采用非线性有限元方法, 研究高速倾斜冲击下复合材料层板的破坏过程和损伤特性。研究结果表明: 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂; 冲击速度不变而入射角度增大时, 剩余速度减小, 层板损伤面积在一定入射角度范围内有明显变化; 入射角度不变而冲击速度增大时, 剩余速度增大, 层板损伤面积在一定速度范围内也有明显变化。     

纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤数值模拟

根据复合材料三维黏弹性本构关系,建立了纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤的数值分析模型.该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别,引入材料刚度折减方案,采用菲线性有限元方法,研究高速倾斜冲击下复合材料层板的破坏过程和损伤特性.研究结果表明:层板的主要损伤形式是层间分层、基体微裂纹和纤维断裂;冲击速度不变而入射角度增大时,剩余速度减小,层板损伤面积在一定入射角度范围内有明显变化;入射角度不变而冲击速度增大时,剩余速度增大,层板损伤面积在一定速度范围内也有明显变化.     

边界条件对纤维增强复合材料层板高速冲击损伤影响的数值模拟

根据复合材料三维粘弹性本构关系,建立纤维增强复合材料层板高速冲击损伤的有限元分析模型。模型中引入界面单元模拟层间分层,结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤判断。对数值结果进行分析,得到如下结论:边界四面不带应力层板的损伤面积最大,两个对面带应力层板的损伤面积次之,一面和三面带应力层板的损伤面积最小;边界应力增大而冲击速度不变时,剩余速度基本不变,损伤面积先增大后减小;冲击速度增大而边界应力不变时,剩余速度线性增大,损伤面积先增大后减小。     

缝合复合材料层板低速冲击损伤数值模拟

建立了缝合复合材料层板在低速冲击载荷下的渐进损伤分析模型。模型中采用空间杆单元模拟缝线的作用;采用三维实体单元模拟缝合层板,通过基于应变描述的Hashin准则,结合相应的材料性能退化方案模拟层板的损伤和演化;采用界面单元模拟层间界面,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的应变能释放率准则判断分层的起始和扩展规律。通过对碳800环氧树脂复合材料（T800/5228）层板的数值仿真结果和试验结果相比较,验证了模型的正确性,同时讨论了不同冲击能量下缝合层板的损伤规律。研究结果表明：缝线能够有效地抑制层板的分层损伤扩展;相同冲击能量下缝合与未缝合层板的基体损伤和纤维损伤在厚度分布上相似,缝合层板的损伤都要小于未缝合层板。     

复合材料层板静压入破坏机制

建立一个有效的计算模型, 以分析复合材料层板在静压入过程中发生分层、 纤维断裂的现象。该计算模型基于有限元程序的三维逐渐损伤理论对层板的静压入全过程进行模拟, 对逐层逐个单元的损伤进行判断, 可以模拟任意角度、 铺层厚度的层板在递增载荷下的逐渐损伤破坏过程。对炭纤维增强环氧树脂基复合材料层板在静压入过程中发生的分层和纤维断裂现象进行预测,并与实验结果进行比较; 对炭纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料层板在静压入过程中的分层损伤和最终破坏接触力的大小进行预测,并与低速冲击下的结果进行比较。数值仿真与实验结果吻合较好, 表明静压入分析方法是复合材料层板在低速冲击下产生损伤的可替换分析方法。      

T300/QY8911层合板低速冲击试验及有限元模拟

对T300/QY8911复合材料层合板进行了低速冲击试验研究及数值仿真模拟。通过自由落体装置对层板进行冲击,并使用超声C扫描技术检测了层板冲击后的损伤状态,获得了不同能量下层板内部的损伤面积。建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤演化的3D有限元模型,模型包含了用于模拟分层损伤的界面元和用于模拟纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤裂等面内损伤形式的3D实体单元。该模型考虑了面内基体损伤对层间强度的影响。本文中的数值仿真结果和试验结果的对比验证了模型的合理性和有效性,文中还分析了影响低速冲击后层板内部分层面积的主要因素。     

不同形状弹体高速冲击下复合材料层板损伤分析

根据纤维增强复合材料宏细观结构,基于纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设,推导了单向复合材料粘弹性损伤本构关系。在此基础上,结合Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别,通过界面单元模拟层间分层损伤,采用非线性有限元方法,建立了复合材料层板高速冲击损伤有限元分析模型。利用该模型,深入研究了不同形状弹体高速冲击下复合材料层板的弹道性能和损伤特性,探讨了相关参数对冲击损伤的影响规律,获得了一些有价值的结论。     

纤维取向对TC4/PEEK/Cf层板抗高速冲击性能的影响

为研究高速冲击条件下TC4/PEEK/Cf层板破坏失效行为和机理,采用空气炮高速冲击试验探索了纤维取向对层板抗高速冲击性能的影响,并建立了误差有效控制的有限元模型。使用验证后的模型对不同变量下层板冲击试验进行算例丰富。试验和模拟结果表明：TC4/PEEK/Cf层板高速冲击下损伤模式主要是金属/复合材料界面分层、复合材料内部层间分层、金属塑性变形、复合材料撕裂断开等。通过对比不同纤维取向层板高速冲击破坏特征发现,TC4/PEEK/Cf层板抗高速冲击性能与纤维铺放角度有关。层板整体耗散冲击能量的性能随纤维交叉角度增大而提高,纤维单向铺放层板的弹道极限和能量耗散率最低,0°/90°纤维取向层板的弹道极限和能量耗散率最高,抗冲击性能最优。     

GLARE层板挤压渐进损伤分析

对GLARE36/5层板进行挤压性能试验研究,采用超声C扫描、断口微距拍摄和扫描电子显微镜等方法观测GLARE层板挤压渐进损伤过程和最终破坏模式。结果表明:GLARE层板挤压起始损伤为铝合金塑性变形;损伤扩展阶段,0°纤维主要承受挤压正应力,铝合金塑性变形增大,铺层间分层起始并扩展;0°纤维屈曲折断后层内纤维基体损伤和分层损伤急剧扩展,层板最终发生挤压破坏。将GLARE层板挤压失效分为层内失效和层间失效,采用应变描述的Hashin准则和界面单元方法并引入金属塑性建立GLARE层板挤压渐进损伤数值模型,数值模型对层板损伤起始位置、分层产生位置、损伤演化过程、最终破坏模式及破坏载荷进行了预测,计算结果与试验结果吻合较好,说明该计算方法能够有效模拟GLARE层板挤压渐进损伤性能。      

复合材料加筋板低速冲击损伤的数值模拟

建立了复合材料加筋板在横向低速冲击载荷作用下的渐进损伤有限元模型。该模型考虑了复合材料加筋板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层脱粘等五种典型的损伤形式, 在层内采用应变描述的失效判据, 结合相应的材料性能退化方案, 通过编写VUMAT用户自定义子程序以实现相应损伤类型的判断和演化。在层间以及筋条与层板间加入界面元, 模拟层间区域的情况, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律。通过对数值模拟结果与实验数据的比较, 验证了模型的合理性和有效性。同时探讨了不同位置、不同冲击能量以及含初始损伤(脱粘)等因素对复合材料加筋板低速冲击性能的影响。     

一种改进的内聚力损伤模型在复合材料层合板低速冲击损伤模拟中的应用

针对传统内聚力损伤模型(CZM)无法考虑层内裂纹对界面分层影响的缺点,提出了一种改进的适用于复合材料层合板低速冲击损伤模拟的CZM。通过对界面单元内聚力本构模型中的损伤起始准则进行修正,考虑了界面层相邻铺层内基体、纤维的损伤状态及应力分布对层间强度和分层扩展的影响。基于ABAQUS用户子程序VUMAT,结合本文模型及层合板失效判据,建立了模拟复合材料层合板在低速冲击作用下的渐进损伤过程的有限元模型,计算了不同铺层角度和材料属性的层合板在低速冲击作用下的损伤状态。通过数值模拟与试验结果的对比,验证了本文方法的精度及合理性。     

平面编织复合材料层合板低速冲击后的拉伸性能

对两种不同铺层形式的平面编织复合材料层合板低速冲击后拉伸性能进行了实验研究,在此基础上建立了有限元损伤扩展仿真模拟。在所建立的有限元模型中,将低速冲击损伤等效为形状规则的软化夹杂,并针对两种铺层形式采用不同的损伤判据和模量衰减准则。研究结果表明:该有限元模拟结果与实验结果符合,说明该模型能够准确地预测低速冲击后平面编织复合材料层合板的损伤扩展规律和剩余拉伸强度;不同铺层形式的平面编织复合材料层合板在低速冲击后拉伸的损伤扩展规律不同;它们的冲击后拉伸强度降均>50%,在复合材料结构设计中应该受到重视。      

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

复合材料层合板多尺度交互渐进损伤分析

纤维增强复合材料强度的准确表征是复合材料力学性能研究的核心问题之一。该文以碳纤维增强树脂基复合材料层合板为研究对象,基于宏观-细观多尺度分析方法,根据复合材料的物理失效模式分别给出了基体和纤维的细观失效准则,同时考虑基体失效对复合材料层合板纤维轴向力学性能的影响。提出了新的刚度退化方式,可准确表征复合材料层合板的损伤演化过程,开展了复合材料层合板四点弯模型的多尺度交互渐进损伤分析和试验验证。结果表明:基于多尺度方法的复合材料层合板宏-细观交互渐进损伤分析结果与试验结果吻合较好,新的刚度退化方式可以准确模拟层合板的失效过程。     

复合材料层板低速冲击后剩余压缩强度

对两种材料体系和铺层的复合材料层合板进行低速冲击后压缩强度试验 , 以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。讨论了表面凹坑深度、 背面基体裂纹长度、 损伤面积以及剩余压缩强度与冲击能量的关系。在试验研究的基础上 , 建立了复合材料低速冲击后剩余强度估算的一种椭圆形弹性核模型。该模型将冲击损伤等效为一刚度折减的椭圆形弹性核 , 采用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元分析含损伤层合板的应力应变状态 ,并应用点应力判据预测层板的压缩(或压、 剪)剩余强度。理论分析与试验结果对比表明 , 该模型简单有效。      

Thermodynamically consistent coupled viscoplastic damage model for perforation and penetration in metal matrix composite materials

Accurate modeling and efficient analysis of the metal matrix composite materials failure mechanism during high velocity impact conditions is still the ultimate goal for many researchers. The objective is to develop a micromechanical constitutive model that can effectively simulate the high impact damage problem of the metal matrix composite materials. Therefore in this paper, a multiscale micromechanical constitutive model that couples the anisotropic damage mechanism with the viscoplastic deformation is presented here as a solution to this situation. This coupled viscoplastic damage model is formulated based on thermodynamic laws. Nonlinear continuum mechanics is used for this heterogeneous media that assesses a strong coupling between viscoplasticity and anisotropic damage. It includes the strong directional effect of the fiber on the evolution of the back stress and the development of the viscoplastic strain in the material behavior for high velocity impact damage related problems.