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．     

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。     

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.     

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．     

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。     

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。     

预加载复合材料层合薄板低速冲击理论分析

为更真实地揭示飞机复合材料结构抗冲击性能,开展了面内预载荷作用下的复合材料层合薄板低速冲击行为研究。根据各向异性材料弹性力学和经典薄板理论,采用Sveklo接触律描述了冲击接触刚度和冲击变形,通过面内载荷引入预载荷因素,提出了弹性球体低速冲击预载荷复合材料层合薄板的理论分析模型;并探讨了面内预载荷状态及冲击速度对结构冲击动响应的影响规律。结果表明:面内预载荷对冲击力和冲击变形均有显著影响;面内压缩载荷降低了结构抗弯刚度,使横向抗冲击性能降低,而面内拉伸载荷反之;低速冲击过程中的接触区域面积很小,分布冲击力可简化为集中力处理。作为复合材料层合薄板低速冲击过程的重要影响因素,预载荷状态必须加以考虑。     

CFRP-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击下的动力响应

采用有限元软件ABAQUS建立了碳纤维增强聚合物（CFRP）-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击作用下的有限元模型。模型的计算结果与试验结果吻合良好，能够较好地模拟CFRP-混凝土-钢管在侧向撞击下的力学特性。利用该模型，对试件在冲击荷载作用下的动力响应全过程进行分析，采用正交分析法研究了冲击高度、空心率等7种因素对试件冲击力峰值、冲击力平台值和跨中残余挠度的影响。结果表明:冲击高度（冲击能量）是影响冲击力峰值的主要因素；空心率是影响冲击力平台值的主要因素，并且当空心率在0.3~0.7之间时，试件的抗撞击性能随着空心率的提高而逐渐增强；冲击后结构的跨中残余挠度由冲击高度、空心率、CFRP层数、CFRP方向等因素共同影响。     

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。     

用内埋电阻丝检测复合材料层压板损伤的可行性研究

本文利用低速冲击装置冲击四周简支复合材料板试样，用以模拟低速低能量冲击而造成的分层损伤；用中心钻孔复合材料板试样用以模拟因高速冲击而造成穿透性损伤。探讨利用内埋康铜电阻丝阵列构成检测网络实现对复合材料中损伤位置和损伤程度检测。这种方法可利用较成熟的电测技术，装置简单，具有良好的工程应用前景     

Effect of permanent indentation on the delamination threshold for small mass impact on plates

Small mass impacts on composite structures are common cases caused by hailstones and runway debris. Small mass impactors usually result in a wave controlled local response, which is independent of boundary conditions. This response occurs before the reflection of waves from the boundaries and cannot be modeled by large mass drop weight tests. An elasto-plastic contact law, which accounts for permanent indentation and damage effects, was used here to study small mass impact on laminated composite plates. By comparing with results from the Hertzian contact law, it was found that damage can change the dynamic response of the structure significantly with increasing impact velocity. Due to smaller contact force generated for the case of using elasto-plastic contact, the central displacement of the plate is also less than the one using Hertzian contact law. The linearized version of the contact law was then used to derive the closed-form approximations of the contact force, indentation and plate central displacement for the impact loading of composite laminates. The threshold velocity for delamination onset under small mass impact was predicted analytically based on the obtained peak contact forces by combining with an existing quasi-static delamination threshold load criterion. A good agreement was found between the predicted threshold values and published experimental results.     

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.      

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.     

具有分层损伤的不同加筋形式复合材料层合板的后屈曲性态研究

基于板的一阶剪切理论和V on-K arm an大挠度理论,分别推导了复合材料层合板和层合梁的几何非线性有限元列式,提出了含嵌入分层的复合材料加筋层合板在受压缩载荷作用下的后屈曲有限元分析方法,对在板厚方向具有不同分层位置的加筋板结构进行了有限元数值分析,研究了不同的加筋方式及筋的分布对具有分层损伤的复合材料加筋层合板的后屈曲性态的影响,所得结果对确定在压缩载荷作用下含损伤复合材料加筋层合板的剩余承载能力具有参考价值。     

含有分层损伤的复合材料加筋层合板的屈曲性态研究

基于Ｍｉｎｄｉｎ假定推导了考虑剪切的复合材料加筋层板的有限元列式,并在此基础上计算出筋间基板含嵌入分层以及筋与基板连接处含穿透分层的加筋层合板在受压缩载荷情况下的屈曲模式和临界力。本文所给出的有限元方法及结论对从事复合材料结构设计的工程人员具有参考价值。     

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.     

STUDY ON THE RESPONSE TO LOW-VELOCITY IMPACT OF A COMPOSITE PLATE IMPROVED BY SHAPE MEMORY ALLOY

Improvement from the pseudo-elastic effect of shape memory alloy (SMA) on the low-velocity impact (LVI) resistance of a composite plate is investigated by the finite element method (FEM).The stiffness matrix of the dynamic finite element equation is established step by step and the martensite fraction is obtained at each time step.The direct Newmark integration method is employed in solving the dynamic finite element equation,while the impact contact force is determined using the modified Hertz's law.It is found that SMA can effectively improve the performance of a composite structure subjected to low-velocity impact.Numerical results show that the deflection of a SMA-hybrid composite plate has been reduced approximately by thirty percent when the volume fraction of the embedded SMA reaches 0.3.