缝合复合材料层板低速冲击损伤研究

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传统复合材料层板具有冲击阻抗低、易分层的致命弱点,很大程度上限制了其高减重效率作用的发挥。缝合复合材料作为一种新型复合材料,通过沿层板厚度方向引入增强缝线以改善材料的层间性能,显著提高了复合材料层合结构的抗冲击能力和损伤容限,日益受到复合材料学术界的高度关注。目前,针对缝合复合材料层板,更多研究集中于该材料的面内力学性能分析,而对其在低速冲击载荷作用下的动态响应和损伤研究还十分有限,现有工作主要以试验研究为主。因此,开展缝合复合材料层板的低速冲击研究,建立有效的低速冲击损伤分析力学模型,已成为缝合复合材料研究领域亟待解决的关键问题之一,具有十分重要的学术意义和工程实用价值。本文针对典型的缝合复合材料层板,基于ABAQUS软件分析平台,建立了缝合层板低速冲击作用下的三维渐近损伤分析力学模型。该模型采用三维杆单元模拟厚度方向的增强缝线,综合考虑了纤维断裂、基体挤压、基体开裂和分层等主要损伤模式,并通过用户子程序实现了组分材料本构关系的定义及材料性能退化,成功预测了缝合层板在低速冲击载荷下的冲击响应和渐进损伤过程。经算例分析表明:缝合层板在低速冲击作用下无缝线断裂,缝合层板的内部冲击损伤分布与演化规律与无缝合层板基本相同,但损伤投影面积较小。模型预测结果与试验吻合较好,表明了该模型的合理性和有效性。同时,详细探讨了冲击速度、材料体系和主要缝合工艺参数对冲击响应及损伤演化规律的影响,得到了一些有参考价值的结论和规律,为进一步开展缝合复合材料层板冲击后的剩余强度研究奠定了基础。
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