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为了研究纤维增强树脂基复合材料的冲击吸能特性,本文制备了 E型玻璃纤维环氧树脂基复合材料,并对其进行了标准的复合材料力学试验。通过拉伸、弯曲和冲击试验测定了复合材料的力学特性,数值解析其弹性模量,泊松比,拉伸强度,剪切强度,冲击强度等力学性能。针对纤维增强复合材料的基本特点,以连续介质损伤力学为指导,建立了适合于数值计算的正交各向异性本构模型,并引入Hashin破坏准则,该准则同时考虑纤维拉伸断裂和压缩屈服折断,基体拉伸断裂和压缩开裂四种破坏模式,由于该模型考虑了冲击作用下材料复杂多样的损伤模式,因而能对复合材料的冲击力学行为给出较为合理的描述,推导了该本构模型的数值化描述方法,给出了模型在 ABAQUS/Explicit有限元程序中的计算流程,模拟了不同冲击速度下,不同铺层角的冲击吸能特性。主要研究内容如下: 1.研究了纤维增强复合材料不同制备方法,针对现有的实验条件,采用手糊成型制备了玻璃纤维增强树脂基复合材料,并分析了成型温度、成型压力、试剂配比等因素对成型性能的影响。 2.对所制备的材料进行了标准的复合材料力学实验。通过拉伸、弯曲和冲击试验测定了复合材料的力学特性,并通过数值解析得到基本力学常数,为该材料进行数值模拟分析提供了材料参数。 3.利用光学显微镜对不同破坏形式下的断口进行扫描,分析断口形貌。拉伸破坏断口基本上是平端口,主要破坏形式是纤维拔出断裂;弯曲上侧面失效形式为纤维和基体的压溃,下侧面的失效形式主要为纤维拔出失效;冲击断口参差不齐,并有大量的纤维束拔出。 4.针对纤维增强复合材料的基本特点,以连续介质损伤力学为指导,建立了适合于数值计算的正交各向异性本构模型。引入Hashin破坏准则,该准则同时考虑纤维拉伸断裂和压缩屈服折断,基体拉伸断裂和压缩开裂四种破坏模式,因而能对复合材料的冲击力学行为给出较为合理的描述,推导了该本构模型的数值化描述方法,给出了模型在ABAQUS/Explicit有限元程序中的计算流程。 5.基于所推导出的含四种损伤的正交各向异性材料模型,利用大型有限元分析软件ABAQUS开展了纤维增强复合材料冲击过程的三维有限元数值模拟。对弹丸冲击纤维增强复合材料层合板进行了计算,通过与国内外文献中所发表的试验结果进行比较验证了数值模拟结果的有效性。 6.数值模拟研究了不同速度下弹丸冲击复合材料层合板的整个过程,得到了能量吸收随初始速度的变化规律。研究了速度一定时能量吸收特性随铺层方向变化机理。根据层合板结构设计原则,设置四种不同的铺层方式对铺层进行优化设计,数值分析不同铺层方式下的吸能特性,得到具有最佳吸能特性的铺层方式。 7.针对模拟所得到的优化铺层结果应用到某汽车缓冲梁上,根据保险杠碰撞法则进行冲击模拟,对碰撞过程中的能量变化和损伤分布进行了分析,验证了纤维增强复合材料在低速撞击下具有较好的吸能特性。