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。     

纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟

推导了复合材料应变率相关三维本构关系, 并将其用于复合材料层板高速冲击损伤的数值模拟。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, 引入材料刚度退化, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料层板高速冲击的破坏过程及层板的损伤特性。数值分析结果表明, 剩余速度预报结果与实验结果吻合较好, 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂, 减小弹体直径、 增大铺层角度和层板厚度能够有效降低层板损伤面积。      

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。     

含孔玻璃纤维/环氧树脂复合材料-铝合金层板的拉伸损伤行为与热暴露响应

采用试验和数值方法研究了含孔玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料-铝合金层板在不同热暴露温度下的拉伸剩余强度和损伤失效模式,揭示了层间损伤、纤维损伤及基体损伤的演化过程。结果表明:随着热暴露温度升高,含孔GF/EP复合材料-铝合金层板剩余强度不断下降,拉伸破坏呈现出明显的纤维断裂与层间分层混合失效模式。热暴露温度越高或开孔直径越大,GF/EP复合材料-铝合金层板的层间分层损伤区域越小。随着载荷的增大,沿加载方向的0°纤维和基体的损伤分别呈现出类似“漏斗”形和“花瓣”状的损伤演化形式,而层间损伤区域呈现出一对相对开孔对称的三角形损伤演化形式。基于GF/EP复合材料-铝合金层板的剩余强度和损伤失效模式的数值仿真与试验结果吻合较好。      

圆锥头弹体冲击复合材料层合板数值模拟

采用ABAQUS软件建立了圆锥头弹体正冲击复合材料层合板的有限元模型,并与已有文献结果进行对比验证了模型的可靠性,进而研究圆锥头弹体以不同的入射角度冲击复合材料层合板时初始速度与剩余速度的关系、复合材料层合板的破坏形态及弹体发生跳弹的规律。结果表明：弹体以90°入射角冲击复合材料层合板,在距离临界速度较大时,弹体的剩余速度与初始速度呈线性关系;不同的初始速度对复合材料层合板的损伤面积和破坏机制也不相同;弹体的入射角度越小、复合材料层合板越厚,越容易产生跳弹现象,并给出了入射角度和铺陈层数对跳弹现象的影响规律。该研究可为各种防护装备的设计和优化提供参考。     

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。     

三维编织复合材料弹道侵彻准细观层次有限元计算

三维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性,因而具有更高的冲击损伤容限。用钢芯弹对三维编织复合材料作弹道贯穿测试,得到弹体的入射速度和剩余速度,并考察侵彻破坏模式。目前对三维编织复合材料弹道侵彻性能计算主要建立在连续介质假设上,从真实细观结构计算三维编织复合材料弹道冲击性能尚有一定难度,用三维结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,就其中的一块倾斜单向板作弹道侵彻有限元计算,由弹体动能损失得到贯穿整个复合材料靶体后弹体的剩余速度。有限元计算及与弹道测试结果的比较证明在准细观层次上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。      

压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响

为确定压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响,首先对不同压缩预应力下的碳纤维/双马树脂CCF300/5428层板进行了低速冲击和准静态压痕试验,然后通过热揭层和冲击后压缩试验分别得到了层板分层面积和剩余强度。结果表明:压缩预应力会大幅降低层板的接触刚度和弯曲刚度,从而导致相同冲击能量下层板凹坑深度和背部基体开裂长度增大;对于准静态压痕过程和相同冲击能量下的冲击过程,分层起始载荷和峰值载荷均随压缩预应力的增大而减小;在相同冲击能量下,随着压缩预应力的增大,层板内部分层总面积及冲击能量吸收比不断增大,剩余压缩强度不断降低。因此,压缩预应力会降低复合材料层板的冲击损伤阻抗,对损伤容限性能不利,在对承受压缩载荷结构的试验验证过程中应考虑压缩预应力对抗冲击损伤性能的影响。      

含分层损伤缝合复合材料层板的剩余压缩强度

基于渐进损伤方法,研究了含单脱层缝合复合材料层板在压缩载荷下的剩余强度。通过商用软件ABAQUS建立了含单脱层缝合复合材料层板剩余压缩强度计算模型,考虑了子层屈曲和分层扩展对剩余强度的影响。通过UMAT子程序实现了层板失效、层间失效和缝线失效的模拟。通过嵌入式杆单元结构模拟了缝线桥联作用及失效。采用Hashin准则及刚度折减法对纤维拉压、基体拉压失效进行了模拟。通过渐进损伤分析,揭示了缝合情况下含单脱层复合材料层板的失效机理,讨论了缝合参数对剩余压缩强度的影响。所预测的破坏模式和剩余强度结果与实验能较好地吻合。分析表明缝合可以明显提高含分层损伤复合材料层板的子层屈曲载荷,抑制分层扩展,并提高层板的剩余压缩强度。     

刚性卵形头弹撞击角度对编织复合材料层合板侵彻特性的影响

利用一级气炮发射卵形头弹撞击2 mm厚度的编织复合材料层合板,撞击角度分别为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程,并获得弹体速度数据。基于拟合公式处理试验数据,计算获取弹道极限,分析撞击角度对弹道极限、靶板能量吸收率及其失效模式的影响规律及机制。结果表明：弹体撞击角度为45°时,靶板弹道极限最高,其次为0°,撞击角度为30°时最小。随着冲击角度增加,层合板损伤形状从菱形逐渐转变为椭球形,损伤面积随冲击速度增加而增大,且45°冲击时层合板损伤面积最大,0°和30°冲击时损伤面积近似相等。弹体初始撞击角度对靶体失效模式存在影响,弹体撞击角度为0°时,纤维断口主要是剪切应力导致的横截面。撞击角度为30°时,纤维断口主要是剪切应力和拉伸应力导致的斜截面。45°斜撞击时,纤维断口主要是拉伸应力导致的横截面。     

铺陈角度对芳纶/玻璃纤维层合板抗冲击性能的影响

采用Abaqus软件建立了圆锥形子弹正冲击芳纶/玻璃纤维复合材料层合板的有限元模型,将模拟结果与文献中的实验结果相比较验证了模型的可靠性,进而研究子弹以不同的速度对不同铺陈角度下的复合材料层合板冲击后初始速度与剩余速度的关系以及层合板的破坏特征。结果表明:当层合板铺陈角度不变且子弹击穿层合板时,子弹初始速度与剩余速度接近于线性关系;在子弹未穿透层合板时,[0/90°]铺陈角度的层合板抗弹性能最好,在子弹以600~900 m/s的较高速度穿透层合板时,[45/-45°]铺陈角度的层合板吸能效果最好;由破坏特征图表明铺陈角度对层合板的损伤面积和破坏机制影响不大。该研究可为防护装备的设计和优化提供参考。     

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。      

玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板对球形弹斜冲击响应特性实验研究

为了研究玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板在球形弹高速斜冲击下的损伤特性,利用一级气炮对2 mm厚度的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料层合板和含一层、三层304不锈钢网的玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板进行倾角为30°的冲击实验,以揭示304不锈钢网对层合板弹道极限和能量吸收的影响规律,并分析层合板损伤特征及其机理。通过实验发现,含有三层不锈钢网层合板的弹道极限最高,而不含不锈钢网层合板和含一层不锈钢网层合板的弹道极限速度接近。层合板吸收的能量随着弹体速度增加呈现出先增加后趋于平稳,然后急剧上升的趋势。层合板损伤模式为基体开裂和破碎、分层、不锈钢丝拉伸断裂、纤维拉伸断裂和剪切断裂。层合板分层损伤面积随弹体速度增大先增大后减小,最后趋于稳定。当弹体速度较低时,层合板主要发生纤维拉伸断裂、基体开裂、层间有分层损伤产生。随着弹体速度的增大,层合板正面纤维逐渐发生压剪断裂、基体破碎,背面纤维发生严重的拉伸撕裂。      

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

对缝纫层合板和无缝纫层合板进行低速冲击后压缩破坏实验,以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。采用C扫描、X射线、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量和对比。结果表明,界面不是很强的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击后受压时,层合板非冲击面的子层屈曲及其扩展是导致层合板冲击后压缩强度下降的重要因素,而且子层屈曲主要是沿垂直载荷的方向(90°)扩展;对于准各向同性板,屈曲子层中与母层相邻的铺层的方向一般为90°。层合板的剩余压缩强度与板的冲击损伤面积无直接关系。      

基于超弹性特性的SMA复合材料层合板低速冲击损伤数值模拟方法

基于ABAQUS有限元软件结合VC++6.0程序设计,建立了含不同铺层角度、不同排列密度形状记忆合金(SMA)纤维的复合材料层合板有限元模型。将基于Brinson本构模型的SMA分段线性超弹性模型以及判断复合材料层内失效的三维HASHIN失效准则编译至ABAQUS/VUMAT子程序,使用界面单元模拟复合材料层间区域,建立了SMA复合材料层合板的低速冲击损伤及冲击后剩余强度数值模拟方法。对比了不含SMA纤维层合板、含SMA纤维层合板、含普通金属丝层合板在不同冲击能量下的损伤响应。进一步分析了SMA纤维体积分数和直径变化对冲击响应的影响。冲击后剩余压缩强度模拟结果表明:冲击能量为16J时,含体积分数25%、直径0.5mm的SMA纤维层合板的冲击后剩余压缩强度相比不含SMA纤维层合板提高5.78%、相比含普通金属丝层合板提高4.69%。随着SMA纤维体积分数提高,层合板的抗低速冲击能力增强,当体积分数一定时,较细的(0.3mm)SMA纤维比粗的(0.6mm)SMA纤维对层合板的抗低速冲击能力增强效果更好。     

低速冲击下复合材料层板压缩许用值

为评估航空结构中常用的T300级和T800级2种碳纤维/环氧树脂复合材料层压板的冲击后压缩许用值,对2种材料体系下具有不同厚度及铺层的层板进行了低速冲击和冲击后压缩试验;讨论了冲击能量、凹坑深度、损伤面积及冲击后剩余压缩强度等之间的关系,以及厚度、铺层、表面防护等因素对其造成的影响;重点关注了2种材料体系下各组层板的目视勉强可见冲击损伤(BVID)形成条件以及含BVID层板的剩余强度.结果表明:厚度及铺层对层板的凹坑深度-冲击能量关系影响较大,而对冲击后压缩强度-凹坑深度及冲击后压缩破坏应变-凹坑深度关系影响较小,且在相同铺层比例下,BVID对应的冲击能量随厚度近似呈线性增长.X850层板的损伤阻抗性能明显优于CCF300/5228层板的,但二者损伤容限性能相当.加铜网、涂漆等表面处理显著提高了层板的损伤阻抗,但对损伤容限性能影响不大;在损伤不超过BVID时,所有CCF300/5228试件的压缩破坏应变均大于4 000 με,而X850材料体系下压缩破坏应变均在3 000 με之上.     

半球形头弹不同角度冲击下编织复合材料板的侵彻特性

利用一级气炮发射半球形头弹冲击2 mm厚的编织复合材料层合板,冲击角度为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程并得到弹体速度数据。利用拟合公式处理试验数据,得到不同冲击角度时的弹道极限值,并和理论模型结果进行对比。分析了冲击角度对靶板弹道极限、能量吸收率和失效模式的影响。结果表明：45°斜冲击时的靶板弹道极限最高,正冲击次之,30°斜冲击最低。相同冲击能量时,45°斜冲击的能量吸收率最高,低能量（<80 J）冲击时,30°斜冲击比正冲击能量吸收率高,高能量（>80 J）时,正冲击更高。正冲击时,靶板正面因剪切失效而形成圆形凹坑,背面因纤维拉伸失效形成菱形鼓包,斜冲击形成椭圆形扩孔,且其面积随冲击角度增加而增加。