基于lsdyna的復(fù)合材料層合板低速沖擊損傷研究

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1、萬方數(shù)據(jù)第12卷第12期2012年4月167l一1815(2012)12—2888—05科學(xué)技術(shù)與工程ScienceTechnologyandEn舀neefingVoL12No．12Apt．2012④2012Sci．TeckEngrg,基于LS—DYNA的復(fù)合材料層合板低速沖擊損傷研究劉玄張曉晴’(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州510640)摘要結(jié)合應(yīng)力強度理論和粘接域理論，提出一種全新的復(fù)合材料低速沖擊損傷模型，利用大型動力有限元軟件LS—DYNA進行實現(xiàn)，并通過算例的分析，驗證了該模型的準確合理性。研究結(jié)果為復(fù)合材料抗低速沖擊損傷提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞復(fù)合材料低速沖

2、擊損傷粘接域有限元中圖法分類號V214．8；文獻標志瑪A復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在受到外來物沖擊，特別是低速沖擊時，極易產(chǎn)生各種內(nèi)部損傷破壞，造成強度、剛度下降，削弱了復(fù)合材料性能，且內(nèi)部損傷往往難以及時發(fā)現(xiàn)，從而增加了發(fā)生突然事故的可能性，這己成為復(fù)合材料進一步廣泛應(yīng)用的主要技術(shù)障礙。因此研究復(fù)合材料中低速沖擊損傷問題，提高結(jié)構(gòu)的抗中低速沖擊損傷性能就顯得非常重要。影響復(fù)合材料中低速沖擊損傷破壞的因素眾多，過程錯綜復(fù)雜，這給實驗研究帶來了很大的困難，而且實驗研究耗時費力，成本巨大。因此，隨著有限元數(shù)值方法的廣泛應(yīng)用，越來越多的學(xué)者開始利用數(shù)值模擬技術(shù)進行復(fù)合材料低速沖擊損傷的研究

3、工作。M．Meo?，Hou等舊．31采用基于強度理論失效準則的損傷預(yù)測模型對層合板低速沖擊損傷進行了研究，該模型對分層損傷的預(yù)測不夠理想。這是由于分層損傷的發(fā)展更類似于斷裂力學(xué)中裂紋的擴展方式，因此Li【4jJ，程起有等№1建立了2012年1月30日收到國家自然科學(xué)基金(10902040)和華南理工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2012zzol02)資助‘通信作者簡介：張曉晴(1974一)，副教授。研究方向：沖擊動力學(xué)和復(fù)合材料力學(xué)。E-mail：搬I小∞g@8cuLedu．衄。以能量表征的失效準則，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的應(yīng)力(或應(yīng)變)準則，來研究預(yù)測分層損傷的發(fā)展，但這種模

4、型需要事先假設(shè)初始損傷的位置。張彥¨】基于粘接域理論，通過在潛在分層區(qū)域放置界面單元，利用Abaqus軟件模擬了復(fù)合材料層合板低速沖擊作用下的分層損傷，然而其利用界面層的Mises應(yīng)力等高線計算分層損傷面積，本質(zhì)還是基于強度理論的失效準則。現(xiàn)針對復(fù)合材料不同形式損傷的特征，聯(lián)合采用基于強度理論和粘接域理論的損傷模型，結(jié)合兩種模型各自的優(yōu)點，提出一種全新的損傷預(yù)測研究思路。1損傷分析模型總體來講，復(fù)合材料層合板的低速沖擊損傷模式可分為層內(nèi)損傷(基體開裂、基體擠壓破壞、纖維斷裂等)和層間損傷(分層)。1．1層內(nèi)損傷模型層內(nèi)損傷的分析采用基于傳統(tǒng)應(yīng)力強度理論的預(yù)測模型。該模型

5、是以材料內(nèi)部某點處的應(yīng)力水平或一定區(qū)域的平均應(yīng)力水平作為失效準則來判定損傷的產(chǎn)生。這就需要建立一套準確合理的損傷失效判定準則，如金屬材料常用的Mises強度準則與剪切強度準則，復(fù)合材料的失效準則是在均勻各向同性和均勻各向異性材料強度理論的基萬方數(shù)據(jù)12期劉玄，等：基于LS—DYNA的復(fù)合材料層合板低速沖擊損傷研究2889礎(chǔ)上，結(jié)合復(fù)合材料自身的特點，通過大量實驗研究和理論研究逐步發(fā)展起來的。由于復(fù)合材料損傷破壞機理十分復(fù)雜，失效準則往往不具有普遍適用性，因此出現(xiàn)了許多失效準則，如Tsai．Hill失效準則、Tsai—wu失效準則、Hashin失效準則、Chang-Cha

6、ng失效準則等。對于出現(xiàn)損傷的區(qū)域。其材料力學(xué)性能下降，需要使用適當(dāng)?shù)牟牧蟿偠韧嘶绞剑瑢p傷區(qū)域的材料性能進行調(diào)整。1．2分層損傷模型大量研究結(jié)果表明，復(fù)合材料層合板的分層損傷僅在纖維鋪設(shè)角度不同的兩相鄰子層之間的界面處產(chǎn)生、擴展【8J。因此，在可能發(fā)生分層的子層間引入一層厚度極薄界面單元，通過界面單元的失效破壞，可以真實有效地模擬預(yù)測分層損傷的產(chǎn)生，及其擴展過程。·如1圖所示為一典型三維界面單元，它由連接對應(yīng)的上下子層的兩個表面構(gòu)成[7】。由于界面層非常薄，初始界面單元的上表面和下表面對應(yīng)節(jié)點問的距離非常小j其中局部坐標系e，為界面單元的厚度方向，該方向的界面力P。

7、與開裂模式I相關(guān)聯(lián)；e：，e，為界面單元的兩個面內(nèi)相互垂直方向，其界面力P：，P3分別與開裂模式II，III相關(guān)聯(lián)。三種裂紋尖端的開裂模式如圖2所示，分別為：張開型、滑開型和撕開型。圖1界面單元示意圖界面單元的建立是基于粘接域(Cohve1．esizone理論。近年來，基于粘接域理論的預(yù)測模型越來越多地被應(yīng)用于分析不

8、一j物體在粘結(jié)面處的開裂過程。該模型建立了發(fā)生層間裂紋處的界面力P；與界面上下表【Ai間相對位移最之間的聯(lián)系。如圖3為目前廣泛應(yīng)用的界面力一界面相對位移雙線性簡化翩軻甸張開型滑開型撕開型圖2三種開裂模式示意圖模型?？杀硎緸镻