复合材料层压板低速冲击响应与损伤参数关系研究

论文针对复合材料标准冲击试样,用落锤试验手段研究了三种不同铺层层压板的低速冲击特性.分析了冲击响应接触力和能量的基本特性及变化规律,发现冲击能量相对于层压板阻抗水平的不同会导致接触力-时间曲线形状的差异.从冲击总能量、吸收能量和损伤耗散能量的角度阐释了能量和接触力与层压板分层损伤、凹坑变形的关系.发现损伤直接取决于吸收能量,与冲击总能量有较好的正相关关系.最大接触力是表征层压板损伤阻抗性能的一个门槛值.在一定能量条件下进行冲击,峰值接触力若达到层压板的接触力门槛值,则峰值接触力不再随损伤程度而增加,不能继续作为损伤的表征参数.同时,进行了冲击过程动态有限元模拟,得到的冲击响应参数曲线和损伤结果与试验结果有较好的对应关系.     

大、中等质量冲头冲击下支持跨度对复合材料层压板冲击的影响分析

基于ABAQUS软件建立三种支持跨度的层压板三维有限元模型,分别计算在两种质量冲头冲击下的响应和损伤。结果表明,在判断支持跨度对冲击结果的影响时,要考虑冲头质量与板质量的比;在大质量冲头冲击的情况下,层压板的响应呈现准静态特征,层压板支持跨度的变化对,最大接触力、冲击持续时间、分层损伤面积等参数的影响较为简单明确;对于中等质量冲头情况,冲击接触时间减小,层压板振动明显,导致冲头与层压板在冲击过程中会脱离接触。在这种情况下不同跨度下板的响应差异也较为明显,冲击力的大小和损伤情况要依据具体的分析。从冲击接触时间和层压板固有振动周期的角度分析了冲头质量水平对冲击响应的影响。     

含冲击损伤高强中模碳纤维复合材料层压板压缩剩余强度分析与试验验证

论文以碳纤维复合材料层压板为研究对象,发展了一种模拟复合材料层压板冲击及冲击后压缩的一体化数值分析方法．基于Puck 失效准则和粘聚区模型描述层内损伤与层间损伤,分别采用基于断裂能的双线性型、函数型以及直接折减型等不同损伤折减方法构建了层内损伤预测与演化模型;建立了碳纤维复合材料冲击后压缩数值仿真模型,通过开展不同能量冲击后压缩试验,验证了所发展的数值分析方法的有效性;研究结果表明,采用Puck 失效准则和基于断裂能的双线性损伤演化模型预测冲击后压缩强度时具有较高精度．     

含冲击损伤复合材料层压板压缩破坏机制的声发射特性研究

复合材料层压板在压缩破坏过程中包含了丰富的声发射信息.为了研究含冲击损伤的复合材料层压板的压缩破坏机制,采用声发射观察层压板的压缩破坏过程,通过分析声发射信号的特征规律,表征了在压缩载荷下材料损伤的形式及其演化过程.结果表明:通过对声发射参数(撞击计数、能量、幅值、事件位置)和载荷曲线进行综合分析,发现损伤的发展过程经过了初始阶段、平稳扩展期和断裂阶段,冲击造成的分层区域最先出现屈曲并最早破坏;在损伤初始阶段和平稳扩展期间,损伤是一种渐进式的增长,层压板具有一定的承载能力;在断裂阶段损伤快速扩展,层压板的承载能力迅速下降,在出现纤维密集断裂的现象后整体破坏.     

基于红外热成像的编织复合材料低速冲击和冲击后压缩试验研究

针对二维三轴编织复合材料（two-dimensional triaxially braided composite, 2DTBC）在低速冲击和冲击后压缩（compression after impact, CAI）载荷下的损伤失效机理,开展了2DTBC试样的不同能量低速冲击试验以及相应的CAI试验,并采用红外热像仪监测在低速冲击和CAI试验过程中的温升现象。通过C扫描表征了不同能量低速冲击后试样的分层损伤情况,讨论了试样背面温度场分布特性及其随冲击能量的演化规律;对比分析了2DTBC冲击后剩余压缩强度与冲击能量的对应关系,基于数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术监测了CAI试验中的全局应变场,结合热成像、变形场和光学图像数据,阐明了不同能量冲击后2DTBC的压缩失效特性,讨论了基于红外热成像技术表征编织复合材料损伤失效行为的有效性。试验结果显示:编织复合材料低速冲击和CAI试验中的温度场分布图与编织几何构型有明显关联度;低速冲击试验的温升幅值随冲击能量的增加而快速上升,CAI试验的温升现象随着冲击能量的增加而减弱;分层面积随冲击能量的增大而增大,冲击后剩余压缩强度随冲击能量的增大而降低。研究结果表明:红外热成像技术能够很好地捕捉试样破坏瞬间释放断裂能所产生的温升现象,温度场图像相较于全局应变场能更好地捕捉破坏的起始位置和失效特征。     

民机复合材料结构冲击后压缩设计值的确定方法

冲击后压缩设计许用值是复合材料飞机结构设计的一个非常重要的参数。本文通过分析常用的目视检测方法和飞机结构冲击能量统计结果,从凹坑深度和冲击能量截止值两方面定义了目视勉强可见损伤;根据民机设计兼顾安全性和经济性的特点,作者提出压缩设计许用值中的目视勉强可见损伤应综合考虑,慎重确定。文章还研究了复合材料层压板的抗冲击性能,从工程应用角度给出了结构冲击后压缩设计许用值的确定要点,即用小试样的冲击后压缩试验结果推导的基准系数和环境系数,对元件乃至典型结构件的冲击后压缩试验结果进行修正。     

复合材料板受低速冲击时能量吸收的实验研究

利用落锤装置，对玻纤／环氧和碳纤／环氧两种复合材料层合板进行了低速低能量的冲击实验研究。利用传感器技术记录了落锤冲击板过程中速度随时间变化曲线，计算了冲击动能和材料损伤时的能量吸收。通过数学处理得到了冲击载荷和冲击点位移随时间变化曲线。还对多次冲击的能量吸收问题进行了实验研究。     

复合材料层压板低速冲击响应尺度效应数值模拟研究

为了研究尺度效应对于复合材料层压板在低速冲击作用下的动态响应和冲击损伤的影响,基于相似理论,建立了三种不同尺寸的层压板受冲击的三维有限元模型。在该模型中,针对层压板的面内损伤,采用改进的Chang-Chang准则进行预测;针对层压板内层间分层损伤,则使用Cohesive界面单元进行模拟。一旦复合材料层压板在低速冲击作用下产生损伤,则对出现损伤的区域进行材料参数退化。采用该模型对三种不同尺寸的层压板的冲击过程进行有限元分析,并将不同冲击速度下的冲击响应进行比较,得出了如下结论：在层压板内未发生冲击损伤时,冲击产生的挠度和冲击力与相似理论解十分吻合,一旦出现冲击损伤,则冲击力的变化与相似理论解有所差别;如果两个缩放模型的冲击速度之比等于缩放比例的平方根,则两个模型中的相对分层尺寸基本是相同的,这个结果与已有的实验结果吻合;而对冲击后面内损伤的分析表明,其损伤尺寸不符合这一相似规律。     

低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型

本文首次从解析角度建立了低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型. 首先,结合经典层合板理论和冯$\cdot$卡门假设,建立了嵌入黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板弹性损伤本构关系. 然后,将层合板受冲击时的变形分成接触和拉伸两个区域,在接触区域内,对金属层采用 Von Mises 失效准则,纤维层采用 Tsai-Hill 失效准则和对黏弹性层采用指数 Drucker-Prager 失效准则判断层合板损伤情况. 考虑不同材料层对冲击动态响应的贡献来修正两个变形区域的位移公式,进而计算结构因弹性变形产生的应变能,以及接触区域因塑性变形消耗的能量,实现每次失效事件发生后各层材料的能量、位移和冲击接触力的理论求解,并给出了结构动态响应分析的具体流程图. 最后,以嵌入 Zn33 黏弹性芯层的 TA2 钛合金混杂 T300 碳纤维/树脂层合板为研究对象,开展落锤冲击实验. 验证结果表明,理论预测与测试获得的冲击接触力、位移响应以及冲击载荷-位移曲线吻合较好,且关注的峰值点计算误差最大不超过 9%,进而验证了所提出的理论模型的有效性.      

低速冲击下纤维金属层合板的损伤模式研究

为研究低速冲击下纤维金属层合板(FMLs)的损伤特点,对由玻璃纤维和2024-T3铝合金交替层压而成的层合板进行了落锤低速冲击试验,并将试验结果与2024-T3铝板进行了对比;分析了FMLs的动态冲击响应并根据各能量下的损伤情况总结了其损伤规律。结果表明:冲击后裂纹长度、凹坑深度等随冲击能量的变化关系曲线上存在裂纹产生、裂纹分叉和完全穿透三个转折点。为研究冲击过程中层间相互作用,采用有限元方法分析了FMLs的低速冲击后动态响应,讨论了FMLs中铝层和纤维层之间的分层等情况,各分层大致呈椭圆状,其长轴与轧制方向垂直。同时将冲击能量为15J和45J下的模拟载荷-时间曲线与试验结果进行了对比,其最大载荷误差分别为10.2%和5.6%,从而验证了该数值方法的可靠性。     

Effects of joining techniques on impact perforation resistance of assembled composite plates

A previous study on impact response of composite laminates concluded that impact perforation was the most important damage stage in composite laminates subjected to impact loading, since impact characteristics (peak force, contact duration and absorbed energy) and mechanical properties degradation of composite laminates reached critical points once perforation took place. It was also found that thickness had a greater influence on impact perforation resistance than did in-plane dimensions. However, as the composite laminates became very thick, the manufacturing cost for obtaining high-quality composite laminates increased. In an effort to meet design requirements and reduce manufacturing costs, assembled composite plates, which were organized by assembling multiple thin composite laminates, were considered as alternatives for thick single-laminate composite plates. Various joining techniques including mechanical riveting, adhesive bonding and stitch joining, and their combinations, were used in assembling two- and three-laminate plates. Experimental results revealed that adhesive bonding outperformed other joining techniques. Although good bonding resulted in higher joining (bending) stiffness and subsequently higher perforation thresholds, increasing the laminate thickness or the number of laminates was found to be more efficient in raising perforation threshold than in improving the joining stiffness. The assembled three-laminate plates were found to have higher perforation thresholds than their thick single-laminate counterpart.     

破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟

基于近场动力学方法，综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示:高速破片冲击作用下，层合板会发生侵彻和穿透现象，层合板的损伤模式以基体损伤为主，且随着破片冲击速度的增大，板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势；高速破片冲击作用下，层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关，对于纤维铺层方向相同的层合板，其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同；加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能，且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。     

An analytical model for high velocity impacts on thin CFRPs woven laminated plates

An analytical model to study the impact process of a spherical projectile penetrating at high velocity into a carbon/epoxy plain woven laminate is developed in this work. The model is based on an energy balance, where the kinetic energy of the projectile is absorbed by the laminate by three different mechanisms: laminate crushing, linear momentum transfer and tensile fiber failure. A non-homogeneous differential equation is obtained. A subsequent simplification using regular perturbation analysis gives a closed-form solution that allows the approximative calculation of the residual velocity and hence the ballistic limit. The model is validated with the results of experimental tests in which the residual velocity is measured by means of high speed cameras.     

A DYNAMIC RESPONSE PREDICTION MODEL OF FIBER-METAL HYBRID LAMINATED PLATES EMBEDDED WITH VISCOELASTIC DAMPING CORE UNDER LOW-VELOCITY IMPACT EXCITATION 1)

本文首次从解析角度建立了低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型. 首先,结合经典层合板理论和冯$\cdot$卡门假设,建立了嵌入黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板弹性损伤本构关系. 然后,将层合板受冲击时的变形分成接触和拉伸两个区域,在接触区域内,对金属层采用 Von Mises 失效准则,纤维层采用 Tsai-Hill 失效准则和对黏弹性层采用指数 Drucker-Prager 失效准则判断层合板损伤情况. 考虑不同材料层对冲击动态响应的贡献来修正两个变形区域的位移公式,进而计算结构因弹性变形产生的应变能,以及接触区域因塑性变形消耗的能量,实现每次失效事件发生后各层材料的能量、位移和冲击接触力的理论求解,并给出了结构动态响应分析的具体流程图. 最后,以嵌入 Zn33 黏弹性芯层的 TA2 钛合金混杂 T300 碳纤维/树脂层合板为研究对象,开展落锤冲击实验. 验证结果表明,理论预测与测试获得的冲击接触力、位移响应以及冲击载荷-位移曲线吻合较好,且关注的峰值点计算误差最大不超过 9%,进而验证了所提出的理论模型的有效性.     

多体系统碰撞动力学中接触力模型的研究进展

接触碰撞行为作为大自然与多体系统中的常见现象, 其接触力模型对于多体系统的碰撞行为机理研究与性能预测至关重要. 静态弹塑性接触模型与考虑能量耗散的连续接触力模型是研究接触碰撞行为的两类不同方法, 在多体系统碰撞动力学中存在诸多共性与差异. 本文分别从上述两类接触模型的发展历程入手, 详细介绍了两类模型的区别与联系. 首先, 根据阻尼项分母中是否含有初始碰撞速度将连续接触力模型分为黏性接触力模型与迟滞接触力模型, 讨论了能量指数与Hertz接触刚度之间的关系, 阐述了现有连续接触力模型在计算弹塑性材料接触碰撞行为时存在的问题. 其次, 着重介绍了分段连续的准静态弹塑性接触力模型(可连续从完全弹性转换到完全塑性接触阶段), 分析了利用此类弹塑性接触力模型计算碰撞行为的技术特点. 同时, 以恢复系数为桥梁和借助线性化的弹塑性接触刚度, 避免了Hertz刚度对弹塑性接触刚度的计算误差, 根据碰撞前后多体系统的能量与动能守恒推导了弹塑性接触模型等效的迟滞阻尼因子. 探索了连续接触力模型与准静态弹塑性接触力模型之间的内在联系, 数值计算结果定量说明了人为阻尼项代表的能量耗散与弹塑性接触力模型中加卸载路径代表的能量耗散具有等效性. 另外, 为了避免阻尼项分母中初始碰撞速度在计算颗粒物质动态性能时导致的数值奇异问题, 通过求解等效的线性单自由度欠阻尼非受迫振动方程获得了阻尼项分母中不含初始碰撞速度的连续接触力模型, 并以一维球链为例, 证明了该模型相比EDEM软件使用的连续接触力模型具有更高的精度. 最后, 本文分析了当前多体系统碰撞动力学的研究现状, 并简要展望了多体系统碰撞动力学中接触力模型的发展趋势与面临的挑战.      

Partition method for impact dynamics of flexible multibody systems based on contact constraint

The impact dynamics of a flexible multibody system is investigated. By using a partition method, the system is divided into two parts, the local impact region and the region away from the impact. The two parts are connected by specific boundary conditions, and the system after partition is equivalent to the original system. According to the rigid-flexible coupling dynamic theory of multibody system, system＇s rigid-flexible coupling dynamic equations without impact are derived. A local impulse method for establishing the initial impact conditions is proposed. It satisfies the compatibility con- ditions for contact constraints and the actual physical situation of the impact process of flexible bodies. Based on the contact constraint method, system＇s impact dynamic equa- tions are derived in a differential-algebraic form. The contact/separation criterion and the algorithm are given. An impact dynamic simulation is given. The results show that system＇s dynamic behaviors including the energy, the deformations, the displacements, and the impact force during the impact process change dramatically. The impact makes great effects on the global dynamics of the system during and after impact.     

平面棱柱铰内考虑摩擦效应的接触分析

研究了多体系统中平面棱柱铰内的摩擦接触分析。在忽略铰内的碰撞效应的前提下,根据接触力系与约束反力的等效关系,以及各个角点接触力自身满足的互补关系,得到了接触力系关于摩擦力的线性互补方程。结合库仑摩擦定律,确定了铰内角点处的接触反力以及摩擦合力;另外,由接触力曲线可以得到铰内的接触形式,以及各个接触形式发生改变的时刻。通过ADAMS算例验证,这些接触形式转换的时刻就是铰内发生碰撞的时刻,为高效率地研究铰内碰撞提供了可能。