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。     

纤维/金属网增强层板低速冲击损伤机理和演化

本文首先通过落锤低速冲击实验测试了纯玻璃纤维增强环氧树脂复合材料和304不锈钢丝网(SSWM)/玻璃纤维混杂复合材料的力学性能，探究了SSWM嵌入数量对混杂复合材料抗冲击性能的影响．随后采用Abaqus有限元软件建立了混杂复合材料的低速冲击模型，分别采用三维Hashin失效准则和Jason-Cook破坏准则模拟了纤维/基体和SSWM的损伤；建立了基于表面接触的内聚力模型来模拟界面分层；编写了VUMAT用户子程序定义混杂复合材料层合板的渐进失效过程．结果表明：相较于纯玻璃纤维增强环氧树脂层合板，SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂层合板的抗冲击性能更优，其中铺层形式为铺层III的混杂复合材料抗冲击性能最佳．通过对比发现有限元仿真结果与实验结果吻合良好，表明建立的模型适用于SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击损伤的评估．通过分析仿真结果发现混杂复合材料的低速冲击损伤主要是冲击区域的纤维断裂、基体破坏和层间分层；SSWM通过吸收和传递冲击能量从而提升了混杂复合材料的抗冲击性能．     

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.     

复合材料层合板的低速冲击损伤及其剩余压缩强度研究

本文采用理论和实验方法研究了复合材料层合板的低速冲地及其剩余压缩强度。文中利用有限元方法和能量转换原理计算了层合板受到低速冲击的受载最危险状态，以及此时的应力分布；并用Ｔｓａｉ－Ｗｕ张量准则判断损伤情况，对产生损伤的单元进行相应的刚度折减，且作重复计算直至不产生新的损伤为止；最后，对受冲击的层合板还进行剩余压缩强度计算。在实验中，采用激光全息无损检测法测量了层合板的冲击损伤，并对受冲击的层合板进行     

复合材料低速冲击损伤的数值模拟研究

为了研究复合材料层合板在低速冲击载荷的作用下层合板内部子层和层间损伤的演化,利用三维动态有限元模拟计算层板低速冲击的过程.在所建立的有限元模型中,分类考虑了不同的损伤模式.并采用薄壳单元模拟分析层合板子层的基体和纤维损伤.对于层合板的层间损伤,采用节点约束失效方法来预测分层损伤.通过仿真结果和实验数据的对比表明,模拟预测的损伤形状和损伤面积与实验结果基本一致.     

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。     

复合材料层合板低速冲击响应和损伤分析

通过在有限元软件Abaqus/Explicit中编写用户材料子程序VUMAT，建立了一种基于能量演化的复合材料低速冲击渐进损伤模型．该模型以三维Hashin准则来预测层内损伤的起始，以一种简化的损伤变量来模拟层内损伤的演化，将具有双线性牵引-分离本构的零厚度界面单元插入层间来模拟分层损伤．采用该模型对14.7 J冲击能量下的纤维增强复合材料低速冲击过程进行了仿真分析，计算得到的冲击力-时间曲线、能量-时间曲线和损伤分布与试验结果吻合较好．根据数值模拟结果，分析了纤维、基体和分层损伤的扩展规律，为低速冲击下的复合材料结构设计提供了理论依据．     

复合材料层板冲击损伤响应的能量和接触力研究

摘 要：本文以复合材料层压板标准冲击试样,用落锤试验、冲击后压缩试验的手段研究了三种不同铺层的低速冲击特性。分析了冲击响应接触力、能量的基本特性和变化规律,发现冲击能量相对于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损伤、变形、压缩剩余强度的关系,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,但与接触力无明显联系。最大接触力是仅取决于板损伤阻抗性能的一个门槛值。同时,进行了冲击过程动态有限元模拟,得到了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。     

低速冲击下纤维/金属层合板抗分层性能研究

本文采用内聚力模型,对纤维/金属层合板(FMLs)在低速冲击载荷作用下抗分层性能进行研究。内聚力模型对裂纹的模拟具有它独特的优势：一是该模型不需要预先假设初始缺陷;二是在计算过程中随着裂纹的扩展,该方法不需要重新对结构进行网格划分。借助该模型,本文对低速冲击载荷作用下,纤维层合板(FRP)分层进行了模拟,并验证了该模型计算的有效性。在此基础上,本文研究了低速冲击载荷作用下,不同金属含量的纤维/金属层合板抗分层性能,并与纤维层合板进行了比较。最后从能量的角度讨论了金属含量与铺层结构对FMLs低速冲击性能的影响。     

碳纳米管/碳纤维增强复合材料层合板低速冲击响应和破坏的数值模拟

碳纳米管/碳纤维增强复合材料（carbon nanotube/carbon fibre reinforced plastic,CNT/CFRP）是一种多尺度复合材料,比传统CFRP有更好的综合性能和更广阔的应用前景。对CNT/CFRP在低速冲击下的响应和破坏进行了数值模拟研究。首先,基于先前的研究通过引入基体增韧因子、残余强度因子并改进损伤耦合方程,建立了新的FRP动态渐进损伤模型;然后,利用新建立的本构模型并结合黏结层损伤模型,对4种碳纳米管含量的增韧碳纤维增强树脂基复合材料层合板在5个能量下的冲击实验进行了数值模拟;最后,将模拟结果与文献中的相关实验结果进行了比较,并讨论了冲击速度的影响。结果表明:新建立的FRP本构模型能够预测CNT/CFRP层合板在低速冲击载荷作用下的响应、破坏过程和分层形貌,模拟得到的载荷-位移曲线和破坏形貌与实验吻合较好;冲击速度会影响CNT/CFRP层合板拉伸和压缩破坏的比例,相同的冲击能量下,更大的冲击速度会造成更多的拉伸破坏。     

PMI复合材料泡沫夹层结构小能量冲击后回弹规律研究

本文对两种不同厚度(4层、8层)的PMI复合材料泡沫夹芯结构进行8J的低速冲击实验。采用三维光学扫描仪(HDI 3D)对冲击后发生的凹坑回弹现象进行90h的监测,并结合Geomagic Qualify三维检测软件对扫描结果进行分析,获得了直观的冲击后位移云图。对不同时刻的凹坑深度进行分析,以回弹速率为标志,对回弹过程进行划分并总结了凹坑深度随时间的变化规律;截取了回弹过程中部分时刻凹坑贯穿截面轮廓,通过参考点对轮廓形貌进行拟合,建立了与所在横截面凹坑最大值相关联的轮廓形貌描述方法。结合破坏性检测的方法,对冲击区域面板及夹芯泡沫的损伤情况进行显微观测,结果表明,夹层板的分层损伤对回弹现象影响较大,但凹坑截面轮廓的形态并不会发生显著改变。     

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。     

Kinetic Dissipation in Ballistic Tests of Soft Body Armors

The objective of this study was to assess the amount of energy transferred to the backing material of oil-based clay (i.e. kinetic dissipation) in ballistic tests of soft body armor panels. To determine the relationship between penetration depth (or dent volume) and impact velocity (or energy), weight dropping test with a series of steel spheres was carried out at low impact velocities, and direct shooting with a 5.56 mm NATO fragment simulating projectile (FSP) was carried out at high impact velocities. At high and low impact velocities, the volume of the dent made in the oil-based clay was proportional to the velocity of the impactor. The change in dent volume per the change in impact velocity was found to be proportional to the 1.5th power of the mass of the impactor, while the energy absorption per unit dent volume increased linearly with the impact velocity. The relationship between trauma depth (or dent volume) and kinetic dissipation of a soft body armor panel subjected to a 9 mm bullet at 436 m/s is presented, where the trauma diameter approached that of a 1.043 kg steel ball.     

局部损伤复合材料层合板的振动分析

本文采用了一种改进方法对局部损伤复合材料层合板进行了振动分析,将复合材料板中的损伤模拟为局部刚度的削减,并取三个损伤因子来刻画损伤的特性．利用高阶摄动法对其自由振动方程进行求解,主要计算了损伤板的自然振动频率和振动模态．相较于一阶摄动展开法,该方法在计算局部较大损伤问题中具有更高的准确度和敏感度．最后对损伤问题进行了参数研究,分析了不同的损伤因子（包括局部损伤程度、方向、面积大小）对板自由振动频率的影响．该方法为二维板局部损伤检测提供了有效精确的理论依据,并为损伤的定量评价提供了一种思路．     

用高阶位移模式分析复合材料层合板的自由振动

建立一种新的高阶位移模式：分层假设复合材料层合板的位移场，利用各层间应力及位移的连续性条件，导出了作为整体的层合板控制微分方程。最后，采用这一高阶剪切理论来分析复合材料矩形层合板的自由振动。数值计算采用有限差分法，并编制了计算程序，计算得出了六种不同边界条件、不同铺层、不同宽厚比工况下的矩形层合板的自振频率。同经典理论解进行比较，可以看出本文方法简便易行，且精度较高，可以在微机上实用。     

一种诊断复合材料层合板损伤的频响方法

本文首先选取对故障比较敏感,又能反映结构动力学特性的频响函数作为诊断故障的参数。通过计算无损板在给定模态下各单元的模态能量,求得每个单元对该阶模态下全板能量的贡献,并由模态实验得到损伤前后频响函数在各阶共振峰处的变化。分析发现两者之间存在内在联系,从而得到一种分析小损伤位置和范围的新方法。     

Damage analysis and dynamic response of elasto-plastic laminated composite shallow spherical shell under low velocity impact

Based on the elasto-plastic mechanics, the damage analysis and dynamic response of an elasto-plastic laminated composite shallow spherical shell under low velocity impact are carried out in this paper. Firstly, a yielding criterion related to spherical tensor of stress is proposed to model the mixed hardening orthotropic material, and accordingly an incremental elasto-plastic damage constitutive relation for the laminated shallow spherical shell is founded when a strain-based Hashin failure criterion is applied to assess the damage initiation and propagation. Secondly, using the presented constitutive relations and the classical nonlinear shell theory, a series of incremental nonlinear motion equations of orthotropic moderately thick laminated shallow spherical shell are obtained. The questions are solved by using the orthogonal collocation point method, Newmark method and iterative method synthetically. Finally, a modified elasto-plastic contact law is developed to determine the normal contact force and the effect of damage, geometrical parameters, elasto-plastic contact and boundary conditions on the contact force and the dynamic response of the structure under low velocity impact are investigated.     

模拟长纤维增强树脂层合板冲击损伤的数值方法

建立了一套模拟树脂层合板低速冲击下损伤过程的方法.该方法采用Mindlin板模型并考虑板的大变形,使用以前提出的一种修正的Newmark时间积分方案进行层板的动态分析,全面考虑了复合材料的脱层破坏、基体开裂和纤维断裂等破坏形式及其相互作用.还建立了一种适合于 Mindlin板的计算应变能释放率的方法;构造了一种连续的罚函数来动态加人弹簧约束以考虑脱层间的接触效应;证明了球板之间的冲击过程是刚性系统,应使用A（α）稳定的数值方法求解;实现了模拟过程中的自适应分析.使用所开发的软件NBHULI完成了长纤维增强碳/环氧复合材料层板在低速冲击下损伤过程的模拟,取得了一些重要的结果.     

双钢板混凝土组合板抗爆性能分析

钢-混凝土-钢组合板是一种新型的组合结构,与传统钢筋混凝土板相比,具有抗剪强度高、延性大、耗能能力强等特点,目前已经被广泛应用于核反应堆安全壳、海洋平台及储油罐等结构。本文中,设计并制作了缩尺的普通钢筋混凝土板和钢-混凝土-钢组合板,开展了在接触爆炸荷载作用下的实验研究,通过损伤分析、跨中最大挠度对比研究不同板的抗爆性能。基于ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序,研究了钢-混凝土-钢组合板的损伤模式、跨中最大挠度等,并与实验结果进行了对比分析,验证了有限元分析模型的准确性和适用性。参数化分析了炸药量、混凝土强度和钢板厚度等参数对钢-混凝土-钢组合板抗爆性能的影响规律。利用多参数回归分析方法,提出钢-混凝土-钢组合板跨中挠度的预测公式。结果表明:提高混凝土强度可以降低结构的塑性损伤, 增加钢板厚度可以有效降低钢-混凝土-钢组合板的跨中最大挠度。相对于普通钢筋混凝土板,钢-混凝土-钢组合板保持了良好的整体性,且具有继续承载的能力。拟合公式能够较好地预测钢-混凝土-钢组合板跨中挠度与药量和钢板厚度的关系。