缝合泡沫夹层复合材料低速冲击数值模拟及实验

在ABAQUS分析平台中建立了缝合泡沫夹层复合材料在低速冲击下的动力学有限元模型,采用杆单元模拟缝线树脂柱的作用,基于Hashin破坏准则模拟层板面内损伤,通过各向同性硬化本构模型利用等效塑性变形模拟泡沫夹芯损伤演化。针对相同铺层的缝合和未缝合泡沫夹层结构,模拟了相同冲击能量下的低速冲击响应过程及面板、泡沫的损伤情况,数值结果与实验结果吻合较好,证明了该方法的有效性和准确性。研究结果表明,在低速冲击下,泡沫夹层结构引入缝线后虽然降低了泡沫缓冲吸能的作用,使得面板表面受到较大的冲击破坏,但增强了整体刚度,增大了面板抵抗弯曲变形的能力,减小了内部面板的损伤,使其在改善复合材料面板易分层缺陷的同时还依然拥有优良的面内性能。     

结构参数对CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板低速冲击性能的影响

针对碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）蒙皮-铝蜂窝夹层结构,使用半球头式落锤冲击试验平台进行了低速冲击载荷下蜂窝芯单元尺寸对夹层板冲击性能影响的试验探究,并基于渐进损伤模型、内聚力模型和三维Hashin失效准则,在有限元仿真软件ABAQUS中建立了含蒙皮、蜂窝芯、胶层的CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板精细化低速冲击仿真模型,仿真结果与试验结果吻合较好。利用该数值模型进一步探究了蜂窝芯高度、蒙皮厚度和蜂窝芯壁厚等结构参数对于蜂窝夹层板低速冲击吸能效果的影响。结果表明:增大铝蜂窝芯的单元边长,会减小蜂窝夹层板的刚度,提升夹层板的吸能效果;芯层高度对夹层板的刚度及抗低速冲击性能影响较小;增大蜂窝夹层板的蒙皮厚度,可以提高夹层板的刚度,但会降低夹层板的吸能效果;增大蜂窝芯的壁厚,可以提高夹层板的刚度和抗低速冲击性能。      

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。     

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。     

铝蜂窝夹层板低速冲击响应及损伤模式的参数化影响

以铝蜂窝夹层板为对象，通过低速落锤试验及包含面板、胶层及蜂窝的细节仿真模型，探究了蜂窝胞元直径、蜂窝壁厚、面板厚度及冲头半径参数影响下低速冲击响应曲线及损伤模式的变化情况，确定在试验工况下的3种损伤模式：芯层屈曲、芯层剪切及夹层板穿透，其中芯层剪切模式具有更好的吸能分布。结果表明：蜂窝胞元直径与蜂窝壁厚对冲击响应与损伤模式具有类似的影响，面板厚度增加可以较大程度地提升抗冲击性能，冲头半径的大小会显著影响损伤模式。在此基础上建立与上述参数相关的损伤模式极限载荷公式，绘制相应的损伤模式图，为铝蜂窝夹层板的抗冲击设计提供参考。     

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。     

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.     

SiC/SiC复合材料层板低速冲击及其剩余强度试验研究

高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题,低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象,在不同能量下开展了低速冲击试验,分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态,通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌,结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线,分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验,研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明,在低速冲击载荷的作用下,试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤,试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能,虽然试验件损伤勉强目视可见,但其剩余压缩强度为无损件81%,剩余拉伸强度仅为无损件的68%。     

低速冲击下复合材料层合板损伤分析

根据低速冲击下复合材料层合板的分层损伤机理,发展了一种分层失效准则,该准则同时考虑了层间拉应力、层间剪应力和基体开裂等因素对分层损伤的影响,并在损伤分析中,区分了冲击正面由挤压应力引起的纤维挤压损伤和冲击背面由弯曲拉应力引起的纤维断裂损伤,模拟了纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤压、分层等五种损伤的起始和扩展过程,完善了作者以前发展了低速冲击逐渐累积损伤模型.通过与实验结果进行比较,验证了模型的合理性.     

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。     

缝合复合材料低速冲击损伤研究

通过三维动力学有限元法,采用空间杆单元来描述缝线,结合试验系统地研究了缝合复合材料的低速冲击损伤问题。采用修正的赫兹接触定律计算冲击接触力,NewMark直接积分法求解运动方程,求解冲击过程中的应力应变;在Chang和Hou等的分层扩展准则基础上,提出一修正的分层扩展准则并考虑纤维断裂,建立了分析低速冲击损伤面积的方法;对相同铺层的缝合与未缝合复合材料层板进行了低速冲击试验。分析结果与实验结果具有良好的一致性,证明本文中提出的修正的分层扩展准则是正确的。计算及试验结果均表明,在相同冲击能量作用下,缝合使冲击损伤面积明显减小。      

不同冲击参数下Nomex蜂窝板的低速冲击损伤

Nomex蜂窝板因具有轻质、高强度的特点,在航空航天、高速列车、船舶制造等领域得到了越来越广泛的应用。但特殊的三明治夹层结构使其对冲击载荷特别敏感,较小的冲击载荷都可能对结构造成不可避免的损伤,从而使结构力学性能下降。针对Nomex夹层板的低速冲击性能,利用落锤冲击试验及精细化仿真模型探究Nomex蜂窝板在不同直径冲头和不同能量冲击下的力学性能反馈及损伤情况,并建立最大峰值力的理论计算模型,以判断服役蜂窝板遭受损伤的工况环境,对蜂窝板的实用工况调整提供一定的参考。     

含分层损伤复合材料层压板低速冲击模型刚度计算方法

针对基于弹簧质量模型的层压板低速冲击模拟方法,研究产生分层损伤后层压板整体刚度的计算方法。首先将板分为中心含分层的圆形区域与四周未分层环形区域。根据薄板弯曲理论,利用边界条件及两区域交界处的转角协调条件得到两个区域的挠度,进而计算刚度。基于ABAQUS软件建立了含损伤层压板的有限元模型进行该计算方法的验证,结果表明,该方法的计算结果与有限元模型结果吻合较好。进行了层压板落重冲击试验,根据无损检测得到的分层信息利用本方法进行了弯曲刚度的折减,再利用弹簧-质量模型模拟有损伤产生过程的冲击接触力,模拟结果和实验与有限元结果吻合良好,证明所提出的层压板低速冲击弹簧-质量模型分层刚度折减算法是有效的。     

基于非接触位移测量的层压板低速冲击性能分析

为通过冲击点位移获得复合材料层压板的低速冲击性能,首先,在层压板落重冲击试验中,使用高速激光位移传感器测得冲击点背部的位移和速度;然后,基于弹簧-质量冲击模型,以冲击点位移计算了冲击接触力,并通过无损冲击试验标定了弹簧-质量模型参数;接着,模拟了有损伤冲击过程的接触力,利用实测冲击点速度响应判定了分层产生的时刻,并根据模拟结果得出了分层阈值力;最后,根据无损检测结果进行了层压板抗弯刚度的折减,使用弹簧-质量模型计算了产生冲击损伤后的接触力及能量吸收曲线,使用冲头和冲击点背部位移计算凹坑的实时深度。结果显示:结构受冲击发生分层时,由于层压板刚度的突降,冲击点速度出现剧烈震荡,该现象可以作为结构出现分层损伤的识别特征;产生冲击损伤后的接触力及能量吸收曲线的计算结果与试验测试结果吻合。计算所得凹坑的实时深度随冲击能量的变化趋势与冲击后测试的凹坑深度变化趋势一致。这些结果表明提出的基于非接触测量技术的方法可用于无法直接测量接触力情况下的层压板冲击性能分析。      

z-pin增韧复合材料层合板低速冲击损伤过程研究

从z-pin增韧复合材料层合板低速冲击实验出发,考虑了复合材料层合板在受低速冲击时的分层及基体开裂等四种损伤形式,引入适当的损伤判据,对T300/3234碳纤维树脂基复合材料层合板的低速冲击损伤过程进行有限元模拟。结果表明,采用碳纤维钉z-pin增韧使得冲击后层间分层区域面积减小50%左右,有限元结果与实验数据吻合。     

平面编织复合材料层压板低速冲击后的压缩失效

采用超声C扫描检测、断口分析、有限元分析等方法研究低速冲击损伤对G803/5224与G827/5224两种平面编织复合材料层压板失效行为的影响。结果表明,低速冲击后压缩载荷作用下,G803/5224层压板最终为剪切分层失效,G827/5224层压板最终为剪切屈曲失效,两种层压板低速冲击后压缩的失效模式与未受损伤层压板基本相同。建立了平面编织复合材料层压板的损伤扩展与失效模型,该模型的计算结果与试验结果吻合较好,可用于平面编织复合材料层压板的失效仿真。     

相对冲击位置和补片层数对胶接修理CFRP复合材料层合板抗冲击性能的影响

本文针对碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料修补结构,基于连续损伤力学和粘结单元模型,在ABAQUS软件中对低速冲击载荷下不同冲击位置和补片层数的CFRP复合材料层合板内部和层间损伤进行了数值分析,并与试验结果进行了对比。选择相对冲击位置为0 mm、10 mm、20 mm、30 mm和40 mm时对应的五种修补结构,通过数值计算和试验,获得了修补结构在低速冲击过程中的冲击力、冲击能量等数据。在保持补片单层厚度不变的前提下,使补片层数从1层增加到5层,计算获得了修补结构的低速冲击响应。研究结果表明:冲头接触修补结构时会对补片造成较大的损伤,补片可以提高含孔损伤母板的抗冲击性能;冲击点离修补结构损伤孔越近,结构受冲击所产生的分层损伤越严重;增加补片的层数可以提高修补结构的抗冲击性能;通过对补片层数进行优化,得到优化层数为2,其对应的修补结构与无修补结构相比分层损伤面积减少了19.9%,较好地提升了母板的抗冲击性能。      

二维C/SiC-ZrC复合材料的低速冲击损伤研究

通过二维C/SiC-ZrC复合材料的低速冲击、冲击后拉伸试验以及CT扫描方法,研究了不同冲击能量对材料冲击损伤特征及拉伸性能的影响。结果表明C/SiC-ZrC复合材料具有较高的冲击损伤容限,在15～24 J能量范围内的损伤状态主要表现为穿透损伤。随着冲击能量的增大,材料名义拉伸强度的下降趋于平缓,最大降幅约为25%。冲击主要造成冲击区域附近的复合材料发生分层和纤维断裂损伤,冲击区域以外未发生明显的损伤和破坏。     

碳/芳纶混杂纤维增强波纹夹芯结构低速冲击性能

采用碳纤维和芳纶纤维增强复合材料对波纹夹芯结构的面板进行层间混杂铺层设计,通过真空辅助树脂灌注(VARI)成型工艺制备混杂波纹夹芯结构。在60 J、80 J和100 J三种不同冲击能量下,研究了面板混杂铺层方式对波纹夹芯结构低速冲击性能及冲击后压缩强度的影响,并利用超声C扫和工业CT断层成像两种无损检测技术对波纹夹芯结构的冲击损伤机制进行了分析。结果表明：冲击能量较低时,波纹夹芯结构的吸收能量基本不受面板的混杂铺层方式影响,而凹坑深度随表层碳纤维层数增加而减少。冲击能量较高时,面板为分层式混杂(碳/芳纶纤维单层交替铺层)的波纹夹芯结构的抗冲击性能最好,纤维断裂损伤和层间分层主要发生在试样表层,但损伤面积较大;面板为夹层式混杂(以碳纤维为蒙皮、芳纶纤维为芯材)的波纹夹芯结构具有较高的吸收能量,整个上面板的纤维都发生了断裂破坏,但损伤面积较小。碳/芳纶混杂波纹夹芯结构的面板采用分层式和夹层式的混杂铺层设计时,具有较高的冲击后压缩强度。     

整体中空夹层复合材料低速冲击损伤及剩余强度实验研究

简要论述了整体中空夹层复合材料低速冲击及冲击后剩余强度的研究情况,选取了三种不同规格的试件进行了不同能量下的低速冲击试验和冲击后的拉伸,压缩强度试验,得到不同能量下材料的损伤情况和强度变化曲线。实验结果与国外相关文献进行了对比,与文献结果具有一致的变化规律,对整体中空夹层复合材料的运用及推广有一定得参考意义。