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.      

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.     

基于凹坑深度的复合材料低速冲击损伤分析

对复合材料层合板进行了低速冲击实验,建立了冲击凹坑深度与冲击能量的关系。依据凹坑深度反推冲击能量,并用能量确定冲锤质量和冲击速度,从而可对层合板进行动态数值模拟。冲击凹坑深度与冲击能量的关系表明,凹坑深度的变化是与冲击能量的变化过程相适应的,在此基础上对损伤的分布形式及大小做了详细的分析。采用ANSYS有限元程序对复合材料层合板横向低速冲击进行模拟,采用瞬态分析方法来研究层合板的冲击与损伤过程。对冲击后的试验件进行了C扫描损失检测。计算和试验结果表明,此方法是可行的,特别适合于层合板冲击后的损伤评估。     

Transient dynamic response of debonded sandwich plates predicted with finite element analysis

Dynamic transient response of a composite sandwich plate with a penny-shaped debonded zone has been studied by using the finite element analysis within the ABAQUS/Explicit code in this paper. In order to accurately predict the response of the debonded sandwich plate to impulsive loading, contact–impact and sliding conditions along the damaged skin-to-core interface were imposed in the model through a kinematic predictor/corrector contact algorithm. The accuracy of the finite element (FE) model used was verified by comparing between numerical predictions and experimental data known in literature for the frequency spectrum of a cracked polycarbonate laminated beam containing a delamination. By analyzing nonlinear aspects of the transient dynamics of the sandwich plate, it is shown that the presence of the debond significantly alters its short-term response. In this respect, a considerable influence of contact events within the debonded region on the plate’s global dynamic response was found out. These results were presented in both time and frequency domains. The predictions performed also showed that the FE model applied would be useful for nondestructive evaluation of defects in composite sandwich plates, and for studying dynamic response of such plates to impact.     

基于局部移动Kriging无网格方法的层合板自由振动分析

利用基于局部移动Kriging插值无网格法对层合板自由振动进行了数值分析,基于一阶剪切层合理论导出了层合板振动的控制方程和边界条件,进一步得到了自由振动的离散化特征方程。由于Kriging插值函数具有Kronecker delta函数性质,可以直接施加本质边界条件。通过本文给出的方法,对不同边界条件、不同跨厚比、不同材料参数和铺设角度的层合板的振动频率进行了计算,均得到满意结果。最后用该方法对层合板的铺设角度进行优化设计,得到了与已有文献完全一致的优化结果。数值结果充分表明了无网格Kriging方法分析层合板自由振动问题的有效性和高精确度。     

Theoretical and experimental studies on nonlinear oscillations of symmetric cross-ply composite laminated plates

The nonlinear oscillations and resonant responses of the symmetric cross-ply composite laminated plates are investigated theoretically and experimentally. The governing equations of motion for the composite laminated plate are derived by using the von Karman type equation, Reddy’s third-order shear deformation plate theory, and Galerkin method with the geometric nonlinearity. The four-dimensional averaged equation is obtained by using the method of multiple scales. The frequency-response functions are analyzed under the consideration of strongly coupled of two modes. The influences of the resonance case on the softening and hardening type of nonlinearity are analyzed with different parameters for the composite laminated plates. The numerical results indicate that there exist the hardening and softening types of the composite laminated plate in the specific resonant case. The variation of the response amplitudes is studied for the composite laminated plate under combined the transverse and in-plane excitations. A sweep frequency experiment is performed to obtain the hardening and softening nonlinearities of a composite laminated plate. The experimental results coincide with the numerical results qualitatively. The influences of the excitation amplitudes on the softening and hardening types of nonlinearity are also analyzed for the composite laminated plate. The amplitude spectrums of the test plate also demonstrate that the change of the nonlinear dynamic responses may be caused by the subharmonic resonance.     

复合材料层合板在动集中力作用下的结构声强特性

本文研究了复合材料正交异性层合板在动集中力作用下的结构声强特性。应用MSC/-NASTRAN商业软件计算了复合材料正交异性层合板在动集中力作用下各单元的内力和速度,再应用MATLAB软件得出复合材料层合板的结构声强。算例表明,复合材料正交异性层合板的结构声强流线图与各向同性板存在明显不同的特性。复合材料正交异性层合板的结构声强流线图受边界条件、层合板叠层顺序和层数的影响。从结构声强向量图和流线图可获得关于能量传递路径、源位置和能量汇合点的许多信息。进一步,结构振动产生的噪声可根据上述信息加以控制。     

A study of flaw identification in adhesive bonds using a technique of impact modification

A small load transducer has been used to obtain force histories arising from the impact of steel spheres with flawed, laminated plates. The modification of the force-time record in the presence of the flaw is used for the detection of these force histories. Tests are reported for both bonded aluminum and glass-epoxy composite plates.Paper was presented at the 1983 SESA Spring Meeting held in Cleveland, OH on May 15–20, 1983.     

考虑横法向热应变的C~0型Reddy板理论和三角形板单元

考虑横法向热变形,建议了C0型Reddy理论,并用于分析复合材料层合/夹层板热膨胀问题。虽然考虑了横法向热应变,但不增加额外的位移变量。此理论位移场不含有横向位移一阶导数,构造有限元时仅需C0插值函数。基于这一模型,运用虚位移原理推导了复合材料板平衡方程以及构造了6节点三角形板单元,并分析了简支复合材料层合/夹层板的热膨胀问题。数值结果表明,建立的模型能准确分析复合材料层合/夹层板热膨胀问题,而忽略横法向热应变的理论分析热膨胀问题误差较大。     

复合材料结构几何非线性分析

本文采用退化的等参壳元分析了复合材料板、壳结构的几何非线性特性。数值计算表明：与各向同性材料不同,即使在很小的载荷和挠度下,几何非线性对复合材料结构的影响也是相当显著的。     

冰载荷下不锈钢复合板挠度特性分析

以复合板中面的挠度响应作为不锈钢复合板抗冲击性能的评价指标,基于能量法和经典层合板理论,考虑层间结构参数设计,通过横向载荷下的弯曲平衡微分方程,建立冰载荷下不锈钢复合板挠度响应简化解析模型。该分析模型将整个动态响应分析过程分为冰载荷计算分析和动力学方程求解两个阶段。分析了冰载荷模型的面倾角、冲击速度和碰撞位置对冰载荷的影响,确定极端工况参数,汇总接触面的节点力数据;分析了层厚比对挠度响应的影响规律;基于LS-DYNA有限元仿真以及数值算例分析,对比挠度响应仿真结果和解析计算值,验证了本文简化解析模型的准确性,研究结果对不锈钢复合板抗冲击性能分析和评估具有一定的参考价值。     

复合材料结构内埋光纤网络测试其内部损伤试验研究

本文介绍了在复合材料层板内埋入光纤网络，用于测试层板冲击损伤的试验方法和结果。试验表明该法探测损伤是有效的，具有广阔的发展前途。     

板结构计算模型的新发展

现代复合材料层合板具有高强和轻型的突出优点,从而在军工和民用等诸多领域发挥着重要作用。这种板结构的特点是随着纤维走向的不同,层间材料的物理-力学特性发生剧烈变化。沿板厚方向变形的梯度比较陡峭,并在层间结合面处发生强不连续,呈现zig-zag （锯齿状）现象。这导致横向剪应变在板的静态和动态响应中发生重要作用,不计横向变形的经典组合板计算模型CLPT难以适应现代多层板计算分析的需要。考虑横向剪切变形影响的板的计算模型得到重视和发展。需要指出,现有各种考虑剪切变形影响的计算模型虽然有了很大的发展,但在全面和准确性上仍然存在一定的不足,难以适应现代多层组合板横向力和物理性能多变的情况。模型预测的沿板厚方向位移和应力的变化规律难以通过严格的检验。本文提出的以比例边界有限元为基础的正交各向异性板的数值计算模型,同时可适用于各种薄板与厚板的分析,对现代复合材料层合板的分析具有特殊的优越性。所得到的板的位移、正应力和剪应力沿板厚方向的变化,与三维弹性理论的标准解高度吻合。数值算例进一步表明,随着层间纤维走向的变化,板内位移场和应力场沿板厚方向剧烈变化所呈现的锯齿现象均可以精准地进行模拟。据此,本文建议方法对现代板分析的广泛适应性和高度准确性得到了充分论证。     

基于逆复合二次径向基函数的对称复合材料层合板自由振动分析

利用逆复合二次径向基函数无网格配点法对Reddy的高阶剪切变形理论进行离散,预测了对称复合材料层合板的自由振动特性.将不同材料参数、几何尺寸和边界条件的层合板固有频率计算结果与相关文献中的结果进行对比,结果表明:逆复合二次径向基函数在对称复合材料层合板自由振动分析方面具有收敛性好及精度高等一系列优点.     

新修正偶应力层合板理论中的几个基本假设对自由振动计算的影响

基于新修正偶应力理论,在对微细观尺度的复合材料层合梁/板进行力学响应计算时,往往采用一系列假设来简化模型。现有文献都全部或部分应用了这些假设,但对这些假设是否会对计算结果造成影响尚未进行充分讨论分析。本文建立了未经简化的新修正偶应力Reddy层合板模型,并对其自由振动进行了分析。通过数值算例的对比,讨论了常用的几个简化假设对微细观复合材料四边简支方板自振频率的影响以及适用范围。算例结果表明,常用的几个简化假设对于微尺度层合薄板自由振动的影响很小,对于厚板的低阶频率影响也很小,但对厚板的高阶频率影响显著。     

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.     

Transient impact responses of laminated composite cylindrical shells

The generalized ray method (GRM) has been successfully used to study the transient elastic wave transmitting in the beams, planar trusses, space frames and infinite layered media. In this letter, the GRM is extended to investigate the early short time transient responses of laminated composite cylindrical shells under impact load. By using the Laplace transformation and referring to the boundary conditions, the ray groups transmitting in the finite laminated cylindrical shells under the shock load are obtained and the transient response related to each ray group can be derived via FFT algorithm. From the numerical results, it is shown that the early short time transient accelerations of the laminated composite cylindrical shell under impact loads are very large. But the short time transient shear strain and displacement are very small.     

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.     

复合材料层合加肋板中的瞬态波传播

研究复合材料加肋层合板结构受冲击载荷作用下的瞬态波传播.加肋层合板模型被处理成层合板的弯曲运动与层合梁的扭转与弯曲运动的耦合连续模型.通过Laplace变换,并采用回传射线矩阵法(MRRM),基于一阶剪切变形层合板理论,确定复合材料加肋层合板结构中传播的各条射线群.采用FFT变换,计算各种冲击载荷作用下加肋层合板结构的短时瞬态响应,并分析讨论脉冲类型对加肋层合板结构短时瞬态响应的影响.