复合材料层合板低速冲击损伤表征与开孔分析

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复合材料在工程结构中的应用越来越广泛,并且在结构中开始作为承力件。低速冲击事件以其高发性、高隐蔽性和高危害性的特点,严重的危害了复合材料结构的稳定性和可靠性。在这些工程应用的背景下,本文对复合材料层合板进行了低速冲击后损伤表征的研究,并且针对含孔层合板讨论了开孔因素对其低速冲击响应的影响。本文以落锤冲击试验机为平台,依照美国材料与试验协会标准,搭建了一个低速冲击试验平台;使用FORTRAN语言编写了基于刚度渐进折减和三维Hashin损伤失效准则的用户自定义材料子程序,与粘结单元损伤理论一起建立了一个三维低速冲击有限元模型。通过对复合材料层合板进行落锤冲击试验,更好地了解了低速冲击载荷下层合板的损伤模式和损伤情况,对三维低速冲击有限元模型进行了系数修正和正确性验证,使得仿真分析与试验结果的吻合度更好。利用上述研究方式,本文通过对比分析得到如下结论:(1)对于无孔层合板,在经过低速冲击后,层合板上表面凹坑深度随着冲击能量变化的趋势与层合板内部分层面积随着冲击能量变化的发展情况完全一致,可以使用上表面凹坑深度作为层合板内部分层损伤程度的一个衡量标准。层合板基体、纤维损伤随着冲击能量的增大,增长速度慢慢变缓,与上述两种损伤表现出的增长特征不同。(2)开孔因素会对层合板的冲击响应造成影响,其中开孔位置与冲击点的距离影响较大,开孔形状影响较小。随着开孔位置与冲击点距离的增大,整个低速冲击持续的时间变短,冲击力峰值变大;层合板内部分层面积最大的层间粘结层将会改变位置,并且分层损伤的扩展方向改变为相反的方向。对于开孔形状来讲,含圆孔层合板在本文中提到的三种含孔板中冲击力峰值最小,孔边的分层损伤不明显,其它损伤情况大致相同。
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