复合材料层合板低速冲击响应的试验研究与仿真分析

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飞机轻量化的需求使得碳纤维增强复合材料在航空业被广泛应用,虽然复合材料具有比强度高,比模量大等优点,但也暴露出怕冲击的弱点:复合材料遭受低速冲击后,其某些性能如压缩强度可能会剧烈下降,造成安全隐患。因此,研究复合材料在低速冲击下的响应行为就变得非常重要。尽管目前各国学者已经对复合材料的低速冲击问题开展了大量的研究,但仍然存在较多问题:复合材料在低速冲击下具有纤维拉断,纤维扭结,基体开裂,基体压碎等多种失效形式,且损伤模式之间具有相互作用,这导致复合材料的冲击损伤预测变得十分困难。本文首先以落锤冲击实验手段对复合材料层合板的低速冲击响应行为展开了研究,通过对试验数据的整理和分析,获得了冲击接触力-时间曲线形状,最大接触力,凹坑深度,损伤面积等响应参数随冲击能量的变化规律,揭示了最大接触力-冲击能量曲线上“拐点”的物理含义,并通过对比静压痕和冲击的力-位移曲线验证了二者的等效性。然后,本文以连续介质损伤力学(CDM)为基础,提出了一个有效的数值分析模型来模拟复合材料层合板低速冲击的接触力响应和损伤响应。该模型考虑了不同的失效模式,引入了不可逆的损伤变量和新的刚度折减方式以考虑损伤造成的刚度变化,定义了耗散能的计算方式以考虑损伤造成的能量变化。模型通过在Abaqus/Explicit平台上编写VUMAT子程序具体实现,数值仿真与试验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。
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