基于内聚力单元的层合板低速冲击响应模拟研究

【摘要】纤维增强复合材料由于其优异的性能，如较高的比强度和比刚度，质量轻，以及结构的可设计性等特性，使得复合材料在航空航天，武器装备、能源工程、汽车工业、风力发电以及船舶工业等领域有着广泛的应用。然而，复合材料层合板结构在实际使用、生产和维修过程中，常常会出现诸如工具堕落、设备撞击等来自于外界物体的低速冲击作用。由于其较弱的层间剪切强度使复合材料层合板结构的损伤阻抗和冲击强度较差，尤其是在受到低速冲击载荷这类横向载荷作用时，常常会产生一些目视不可见的或者是勉强可见的层间或者层内损伤等内部损伤，如基体开裂、层间分层以及纤维断裂等损伤模式，会导致层合板结构力学性能的大幅度下降，带来潜在的安全隐患。因此，研究复合材料层合板的低速冲击响应具有重要的意义。本文研究利用有限元分析软件ABAQUS/Explicit，结合基于牵引力分离双线本构模型的内聚力界面单元和基于断裂能失效的Bengeggagh-Kenane损伤演化准则，以及Hashin失效准则，建立了复合材料层合板的低速冲击有限元模型，并利用文献研究结果验证所建立有限元模型的有效性。基于该验证的有限元模型，本文分别研究了：本文分别研究了冲头几何外形、冲头的冲击方向以及不同纤维铺层的混杂效应对层合板低速冲击响应的影响。通过模拟研究表明：（1）冲头越尖锐，冲击层合板所造成的损伤程度越严重；（2）当冲头的冲击方向处在垂直于层合板的二维平面内时，入射角的变化对层合板的冲击损伤响应有着较大的影响，冲击损伤程度随入射角的增大呈先增大后减小的趋势，且当入射角为45o时损伤最为严重；而当冲击方向处在与层合板成一夹角的三维锥形曲面内时，入射角的变化对损伤响应没有明显影响；（3）对于碳纤维与芳纶纤维混杂的层合板，碳纤维含量的增加提高了层合板的抗冲击性能；而当两种纤维含量相同时，交替混杂的层合板的抗冲击性要优于非交替混杂的层合板。
【作者】陈县辉；
【导师】赵贵哲；
【作者基本信息】中北大学，材料工程，2014，硕士
【关键词】复合材料层合板；内聚力单元；低速冲击；有限元模拟；

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