碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤特性研究

以碳纤维复合材料层合板为研究对象,针对低速冲击损伤进行落球低速冲击数值模拟与试验研究,用三维Hash-in失效准则与内聚力单元相结合分析3种不同冲击能量下层合板的损伤演化规律,在试验过程中引入数字图像技术(digital image correlation,DIC)对冲击过程进行实时监测.结果表明:碳纤维复合材料层合板的损伤面积随低速冲击能量增加而增大,低能量以基体开裂为主,高能量以基体开裂和分层为主.用DIC技术得到层合板损伤表面应变规律和集中分布区,与数值模拟结果相验证,误差小于5％.     

冲头形状对复合材料层合板低速冲击力学行为影响研究

为掌握冲头形状对碳纤维复合材料层合板低速冲击响应的影响规律，了解层合板内部的损伤机制与失效模式，用Abaqus有限元软件对层合板进行低速冲击力学行为的数值模拟，为考虑多种失效模式混合，用三维Hashin强度准则与双线性内聚力模型分别预测层合板层内与层间的渐进损伤演化，重点讨论冲头形状对层合板冲击响应的影响规律。数值模拟结果与现有低速冲击试验数据较吻合，最大误差低于5%，验证了模型的可靠性。结果表明：冲击接触面积与穿透程度是造成层合板在不同冲头形状下冲击响应差异的主要原因，冲击接触面积较小的冲头对层合板的穿透程度大，会造成层合板沿厚度方向的损伤积累。冲击接触面积较大的冲头对层合板的穿透程度小，会造成层合板沿面内的层间分层损伤扩展。     

含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度预测

为了预测含低速冲击损伤复合材料层合板结构的剩余强度,建立了复合材料层合板结构从冲击到冲击后压缩的全过程分析模型.基于该模型,通过ABAQUS有限元仿真软件,结合Hashin失效准则和Cohesive界面单元,建立了复合材料层合板结构有限元分析模型,完成了低速冲击载荷下的有限元仿真模拟和冲击后剩余强度的有限元预测.通过与试验值对比,仿真结果与试验结果有良好的一致性,所建立模型能够有效进行含低速冲击损伤复合材料层合板结构的剩余强度预测.     

褶皱层数对玻璃纤维层合板拉伸性能的影响

为考察褶皱层数对玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板拉伸性能的影响,开展无褶皱和不同褶皱层数的试件拉伸测试,基于三维Hashin失效准则和渐进损伤失效理论建立有限元强度预测模型,对比分析试验与数值仿真结果.结果表明:拉伸强度随褶皱层数增加显著降低,铺层全褶皱时拉伸强度降低约50％;拉伸弦向弹性模量随褶皱层数增加而降低,破坏应变随褶皱层数增加而增大;最内侧,基体开裂和纤维断裂是最主要的失效形式;建立的有限元仿真模型可准确预测不同褶皱层数的玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板的拉伸强度和失效模式.     

复合材料螺栓连接强度与损伤扩展分析

基于ABAQUS建立复合材料层合板螺栓连接三维渐进损伤模型,并通过数值模拟与实验极限强度值的对比,证明模型具有较好的准确度,相对误差均在8%以内。在此基础上,研究螺栓-孔配合精度对层合板螺栓连接强度的影响,并预测其损伤起始到最终失效的损伤扩展过程。结果表明,采用干涉量较小的干涉配合可以提高接头的极限强度;损伤单元由中间铺层向表面铺层扩展,当损伤单元由孔边沿径向扩展至板宽边缘时,层合板最终失效。     

复合材料螺栓连接强度与损伤扩展分析

基于ABAQUS建立复合材料层合板螺栓连接三维渐进损伤模型,并通过数值模拟与实验极限强度值的对比,证明模型具有较好的准确度,相对误差均在8%以内。在此基础上,研究螺栓-孔配合精度对层合板螺栓连接强度的影响,并预测其损伤起始到最终失效的损伤扩展过程。结果表明,采用干涉量较小的干涉配合可以提高接头的极限强度;损伤单元由中间铺层向表面铺层扩展,当损伤单元由孔边沿径向扩展至板宽边缘时,层合板最终失效。     

预应力作用下复合材料层合板弹道极限响应数值研究

基于正交各向异性复合材料模型,通过施加合理的速度/固定边界条件建立带预应力的凯夫拉纤维增强复合材料层合板弹道冲击数值计算模型。通过试验结果与理论计算对比,验证和评估复合靶板数值模型的有效性及其弹道预测能力。在此基础上,研究不同预应力条件下复合靶板的弹道极限响应。结果表明:复合靶板弹道极限随预应力水平的增加呈"下降→增加→下降"的趋势。在低预应力水平下,复合靶板主要以面外分层损伤为主;在中等预应力水平下,复合靶板以面内拉伸损伤为主;在高预应力水平下,复合靶板出现体积损伤。     

复合材料层合板的抗弹性能模拟分析

采用有限元软件ABAQUS模拟圆锥头弹体正冲击纤维增强复合材料层合板,分析了不同层数层合板在不同冲击速度下,子弹初始速度和剩余速度的关系以及层合板的等效应力云图和破坏特征云图.结果表明:在保持单层板厚度不变时,增大层合板层数可显著增强层合板的抗弹性能;子弹的剩余速度与初始速度关系曲线变化特征为先突变后平缓变化再呈线性关系;层合板的等效应力的最大值由接触点扩展到四周固定边界,最后到击穿区域周围局部单元;复合材料层合板在高速冲击下直接发生剪切破坏,而在低速冲击下先达到一定挠度然后发生破坏,为纤维拉伸破坏.     

高速弹丸冲击下复合材料层合板损伤特性仿真研究

为研究复合材料层合板在高速冲击下的损伤特性,通过有限元仿真方法,分析3种不同厚度的Kevlar纤维层合板及UHMWPE层合板在圆柱体、球体、立方体3种弹丸冲击作用下的变形破坏情况,得到3种层合板主要的总体变形破坏模式,并将结果与试验现象进行对比,明确弹丸初始动能与层合板总体变形破坏模式之间的关系。结果表明:高速弹丸冲击作用下,复合材料层合板的宏观破坏模式有整体弯曲变形、拉伸分层破坏和局部穿透破坏;对于UHMWPE材料,弹丸速度处于总体弯曲变形区与拉伸分层破坏区分界线时的吸能约为弹道极限时吸能的一半,而Kevlar纤维的吸能将超过弹道极限吸能的一半;当层合板受到圆柱体或立方体的冲击时,最大吸能将发生在弹道极限时,而球体的最大吸能发生在弹丸速度大于弹道极限时。     

环氧基CFRP冲击性能及损伤容限性能研究

为获得碳纤维增强复合材料(carbon fibre reinforced plastics,CFRP)受低速冲击时的损伤情况,对环氧基CFRP层合板进行抗冲击及损伤容限性能试验。为获取不同冲击能量下CFRP层合板的低速冲击响应信息,对CFRP层合板进行低速冲击试验,基于试验结果进行层合板低速冲击损伤形式、损伤机理及能量响应和冲击损伤形貌分析;为确保复合材料结构的耐久性和损伤容限,进行冲击后压缩试验,分析CFRP的损伤阻抗和损伤容限。结果表明:冲击能量在冲击过程中被吸收或转化,CFRP层合板的分层阈值和冲击能量无关,与材料的属性及成型工艺相关;CFRP层合板的冲击能量-凹坑深度曲线与凹坑深度-剩余压缩强度曲线拐点位置一致,且拐点对应的凹坑深度不超过BVID规定的凹坑深度。     

超高分子量聚乙烯纤维层合板抗侵彻性能的一种数值分析方法

为了准确模拟和预测超高分子量聚乙烯纤维层合板(ultrahigh molecular weight polyethylene laminate,UHMWPEL)的抗侵彻性能,将UHMWPEL离散为若干正交各向异性的单层板及若干黏结界面层分别建模;继而基于ABAQUS/Explicit求解器进行用户动态材料子程序二次开发,单层板损伤起始准则采用应力耦合的3D Hashin准则,黏结层损伤起始准则采用拉剪耦合的二次应力准则,二者均采用双线性材料本构模型及基于等效应力和断裂韧性的损伤演化方法;发展了一种适用于三维复合材料层合板抗侵彻分析的有限元计算方法。基于该方法计算预测了典型的10 mm和20 mm厚UHMWPEL在楔形钢质破片模拟弹(FSP)在不同初始速度冲击侵彻作用下的损伤破坏状态和FSP残余速度。计算结果表明,与已有试验相比,10 mm和20 mm厚的UHMWPEL弹道极限速度(v50)预测误差分别为0.6%和11.3%,FSP各残余速度数值计算误差均小于14.2%;UHMWPEL的损伤破坏过程表现出先冲切破坏和局部鼓包,继而大范围鼓包、大面积分层以及纤维拉伸破坏的两阶段特性,与已有试验的观测现象相吻合,验证了本文计算模型和方法的可靠性。     

含Cohesive单元的舱门蒙皮低速冲击有限元仿真

利用3D Hashin失效准则预测复合材料气密性舱门蒙皮4种层内损伤模式:纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸和基体压缩,进行低速冲击有限元仿真分析;使用Cohesive单元结合QUADS失效准则代替VCCT技术模拟分层失效;比较不同网格密度、冲击位置以及冲击能量下对数值分析的影响.仿真结果表明:冲击点越接近筋条缘条中央位置,冲击损伤面积越大,应作为舱门健康监测研究中重要监测对象之一.     

Ti/Al3Ti叠层复合材料冲击损伤建模及失效分析

针对Ti/Al_3Ti叠层复合材料的冲击损伤问题,建立具有界面层的Ti/Al_3Ti叠层复合材料有限元模型。基于仿真技术模拟Ti/Al_3Ti叠层复合材料受子弹冲击时的界面损伤过程,分析冲击载荷作用下Ti/Al_3Ti两相间界面损伤对材料失效形式的影响。结果表明:在Ti/Al_3Ti叠层复合材料被子弹冲击后,表面Ti层剥离较严重,产生径向裂纹及花瓣形开裂等失效形式;在拉伸波作用下,脆性相Al_3Ti产生放射性损伤,同时界面层遭到破坏,导致Ti层和Al_3Ti层发生脱层;随着子弹速度的降低,位于靶板底端的材料塑性变形增加,子弹击穿靶板后,靶板背面材料发生显著的花瓣形变形。     

考虑就位效应的大开口层合板拉伸失效预测

为更精确预测大开口复合材料层合板的失效模式和破坏强度,考虑子层就位效应建立大开口层合板渐进损伤分析模型。使用ABAQUS软件进行大开口层合板拉伸模拟,通过编写USDFLD子程序,分别设置失效准则以及刚度退化模型。设置失效准则时考虑层合板各子层的就位横向拉伸强度和面内剪切强度。结果表明:开口越大,层合板的破坏载荷值越低,[±45]5铺层相比[0/90]5铺层的大开口层合板承载能力弱;[0/90]5铺层的大开口层合板主要从应力集中处沿垂直于拉伸方向的截面断裂破坏,[±45]5铺层的大开口层合板从应力集中处沿纤维与基体的界面开裂破坏;层合板子层就位特性的破坏载荷预测值比未考虑就位效应的预测值更接近试验值,渐进损伤分析得到的破坏模式与试验结果吻合良好,验证了渐进损伤分析模型的正确性。     

混杂纤维增强材料板抗侵彻数值仿真及实验验证

本文根据实验研究，提出了混杂纤维增强材料靶板在弹道冲击条件下的数值仿真要求，利用大型通用有限元程序，根据实验中复合材料层合板的破坏模式及破坏机理分析，建立其抗侵彻仿真混合模型。本文采用该模型对靶板抗侵彻过程中的三种影响因素(三种工况)进行计算比较。三种工况包括：(1)层间结合力较强，基体材料失效破裂，导致纤维层分层破坏的模拟；(2)仅考虑层间相互接触力影响的模拟；(3)考虑热效应对纤维及基体材料性能的影响的模拟。计算结果与混杂纤维增强材料板抗破片侵彻的实验现象及实验规律，具有较好地一致性，同时，也证明高速冲击可以作为绝热过程进行考虑。本文仿真计算结果对于较好的理解复合纤维材料靶板中各组成成分对其抗弹能力的影响及优化靶板结构具有重要的工程意义。     

刚性破片侵彻层合板运动模型

为揭示杀伤元与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)层合板相互作用机制,开展硬质合金破片侵彻UHMWPE层合板的的弹道试验,获得不同入射速度下破片穿透层合板后的剩余速度以及层合板在不同速度下的断裂失效形貌特征。在此基础上,基于波动理论和能量守恒原理建立刚性破片对层合板侵彻过程的能量耗散模型,分析破片侵彻过程中不同形式能量传递规律。研究结果表明：侵彻过程中层合板因剪切失效、拉伸和压缩变形产生的能量传递在各种形式耗散能量中占主导地位;与试验结果对比发现,该模型可有效描述破片对层合板的侵彻过程,可为有防护目标杀伤机理及弹道设计提供一定参考。     

UHMWPE纤维层合板防弹性能数值分析研究

为研究UHMWPE纤维层合板的抗弹性能,将力学本构模型简化为面内"各向同性"模型和层间"节点力"模型,利用Abaqus 6.9实现全部分析过程,并根据分析结果讨论UHMWPE纤维层合板的失效模式。研究表明:简化后的模型能够较好地模拟UHMWPE纤维层合板的抗弹过程;在立方体破片高速侵彻时,靶板表现出明显的3阶段破坏,弹体发生镦粗和侵蚀现象,剩余速度和靶板变形的凸包高度跟试验值较为一致。     

冲击载荷下复合材料干涉连接的应力分析

针对复合材料在某地面机动武器系统中的应用,对冲击载荷下复合材料干涉连接的应力进行分析.在复合材料经典层合板理论假设的基础上,建立冲击载荷下复合材料层合板、金属板与螺栓3种不同干涉量的干涉连接有限元模型,并利用有限元分析软件对其进行应力分析.分析结果表明:3种不同干涉量下,模型受到冲击载荷时的应力集中情况,根据复合材料层合板Tsai-Wu破坏准则,确定在冲击载荷下复合材料与紧固件的最佳干涉量值为1.4％.     

编织复合材料防护部件抗爆炸冲击性能研究

为得到编织程度与抗冲击性能间的关系,通过爆炸分离试验,对比4种编织复合材料的抗爆炸冲击性能。结果表明,机织结构的性能最优,针织次之,而传统的二步法和四步法较差,在2.0 g/m装药情况下均出现严重的分层损伤,说明层间强度与沿厚度方向编织程度密切相关。传统四步法编织复合材料的数值分析结果验证了±45°方向分层损伤的发生,指出层间强度是影响其抗爆炸冲击性能的最主要因素。     

复合材料层合板抗弹性的工程分析模型

根据复合材料的本构关系和失效准则,利用动量和能量守恒原理建立了弹丸垂直侵彻有限厚复合材料层合板工程分析模型,给出了此类层合板弹道性能V50的预测公式,用该模型计算了正交玻璃纤维层合板的V50,并进行了试验验证,其结果一致性较好.