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。     

粘结单元在模拟FRP层合板低速冲击响应中的应用

纤维增强树脂基复合材料层合板（fibre reinforced plastic composites，FRP）在航空、航天、交通、造船等诸多工程中得到了日益广泛的应用，而其在冲击载荷下的响应和破坏特别是分层一直为学术界所关注。本文中对FRP层合板在冲击载荷下的响应和破坏进行数值模拟，并通过引入粘结层重点研究其分层破坏。首先，介绍一种基于改进的粘结区域方法的粘结层损伤模型；其次，详细介绍了有限元模型建模过程和建模细节；最后，对有限元模型进行验证，并分析分层损伤发生的原因。模拟结果表明，该模型不仅能准确预测FRP层合板在低速冲击载荷下的载荷-时间曲线和载荷-位移曲线，还能成功地预测其分层破坏。     

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.     

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。     

含分层损伤的变角度纤维层合板后屈曲力学行为研究

变角度（Variable angle tow,简称VAT）纤维复合材料层合板的纤维方向能够连续变化．相较于传统的直线纤维层合板,此类层合板通过刚度变化,整体的屈曲性能可以得到很大的提升．本文利用ABAQUS 自带的粘结单元(Cohesive Element)对预制圆形分层的变角度纤维复合材料层合板进行了后屈曲力学行为研究,得出载荷位移曲线,以及分层裂纹萌生和扩展的情况．然后本文分析了预制分层尺寸对板的刚度、前后屈曲阶段和裂纹萌生及扩展的影响．最后通过变角度纤维层合板和直线纤维层合板的后屈曲力学行为进行对比,深入探索了变角度复合材料层合板在抵抗分层裂纹萌生和扩展方面的优势．     

复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[0₃/45/-45]_S 和[45/0/-45/90]_4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.      

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.      

基于响应面法的纤维金属层合板抗弹性能优化设计

纤维金属层合板因其复合材料的各向异性和层合结构特征而具有较好的可设计性，开展金属纤维层合板的优化设计研究对其力学性能的增强和轻量化具有重要意义。为提高纤维金属层合板的抗弹性能，基于响应面分析法对纤维金属层合板的铺层方向和铺层厚度进行了优化设计。采用Box-Behnken方法进行方案设计，以纤维金属层合板各铺层相对厚度比为设计变量，以结构的比吸能为设计目标，根据设计的方案进行参数化建模获取样本点，在对设计样本进行方差分析和参数估计的基础上，建立了结构比吸能的响应面模型并验证了其精确度。采用遗传算法对响应面方程进行寻优分析，通过显式动力学计算程序ABAQUS/Explicit验证优化效果。最终，在最优的铺层方案下，层合板的质量减小了11.70%，能量吸收增加了19.40%，抗弹性能显著提升。     

复合装甲抗侵彻性能的数值分析

用数值分析的方法分别对金属、陶瓷、纤维增强复合材料组成的层合板和由陶瓷球填充的金属四边形蜂窝夹芯结构在冲击载荷作用下的抗侵彻性能进行了模拟计算.其中冲击载荷由12.7mm 直径的刚性穿甲弹模拟.研究了不同构型靶板在侵彻过程中对动能量的吸收机理,分析了两种复合靶板各组分材料的吸能特性,并比较了不同靶板的弹道极限速度V50.研究结果表明:在相同面密度条件下,层合复合靶板中具有最强抗弹性能的陶瓷层与纤维层的最佳比例是2.22,其与4340钢均质靶板相比质量减轻了33%;蜂窝填充陶瓷结构的靶板中灌注环氧树脂后其弹道极限速度提高了13%.     

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．     

Nonlinear progressive damage model for composite laminates used for low-velocity impact

In order to effectively describe the progressively intralaminar and interlam- inar damage for composite laminates, a three dimensional progressive damage model for composite laminates to be used for low-velocity impact is presented. Being applied to three-dimensional （3D） solid elements and cohesive elements, the nonlinear damage model can be used to analyze the dynamic performance of composite structure and its failure be- havior. For the intralaminar damage, as a function of the energy release rate, the damage model in an exponential function can describe progressive development of the damage. For the interlaminar damage, the damage evolution is described by the framework of the continuum mechanics through cohesive elements. Coding the user subroutine VUMAT of the finite element software ABAQUS/Explicit, the model is applied to an example, i.e., carbon fiber reinforced epoxy composite laminates under low-velocity impact. It is shown that the prediction of damage and deformation agrees well with the experimental results.     

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．     

A thermomechanical cohesive zone model for bridged delamination cracks

The coupled thermomechanical numerical analysis of composite laminates with bridged delamination cracks loaded by a temperature gradient is described. The numerical approach presented is based on the framework of a cohesive zone model. A traction-separation law is presented which accounts for breakdown of the micromechanisms responsible for load transfer across bridged delamination cracks. The load transfer behavior is coupled to heat conduction across the bridged delamination crack. The coupled crack-bridging model is implemented into a finite element framework as a thermomechanical cohesive zone model (CZM). The fundamental response of the thermomechanical CZM is described. Subsequently, bridged delamination cracks of fixed lengths are studied. Values of the crack tip energy release rate and of the crack heat flux are computed to characterize the loading of the structure. Specimen geometries are considered that lead to crack opening through bending deformation and buckling delamination. The influence of critical mechanical and thermal parameters of the bridging zone on the thermomechanical delamination behavior is discussed. Bridging fibers not only contribute to crack conductance, but by keeping the crack opening small they allow heat flux across the delamination crack to be sustained longer, and thereby contribute to reduced levels of thermal stresses. The micro-mechanism based cohesive zone model allows the assessment of the effectiveness of the individual mechanisms contributing to the thermomechanical crack bridging embedded into the structural analysis.     

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。     

材料强度对层板抗弹性能和损伤特性的影响

根据纤维增强复合材料宏细观结构特征,基于ABAQUS软件平台,建立了层合板高速冲击损伤三维有限元分析模型。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,采用三维粘弹性本构,结合Hashin失效准则模拟单层板面内损伤.利用该模型,深入研究了复合材料层板的抗弹性能和损伤特性,数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性。通过数值分析,详细探讨了材料强度参数对层板抗弹性能和损伤特性的影响规律,获得了一些有价值的结论。     

On the relationship between impact energy and delamination area

Thin glass/epoxy plates fabricated from 3M prepreg tape were subjected to low-velocity impact. Delamination in the impacted composite plates was measured by edge replication and was identified as the major damage mode. The effects of fiber orientation, thickness, and lamination on the delamination resistance were investigated. Experimental results verified three previous findings: (1) a linear relationship holds between delamination area and impact energy, (2) the mismatch of bending stiffness between adjacent laminae can be correlated with the delamination area on the interface, and (3) the behavior of a thin composite plate under low-velocity impact is very similar to that caused by global bending. In addition, based on the calculation of impact energy per unit delamination area, the dynamic fracture energy and the energy of dissipation in the thin glass/epoxy plates can be examined.