基于ABAQUS碳纖維樹脂基復(fù)合材料抗沖擊性能研究

陳鑫 馬士東 劉升輝

摘 要：隨著復(fù)合材料的工藝越來越成熟，其良好的物理性能，如比強(qiáng)度高、比剛度高、比模量高、耐腐蝕性好、結(jié)構(gòu)重量輕等優(yōu)良性能，得到了航空領(lǐng)域的一致認(rèn)可。但復(fù)合材料的抗沖擊性能比較差，當(dāng)其受到外來物沖擊時(shí)可能造成嚴(yán)重的損傷，因此使研究成為了必要。本文對有限元軟件ABAQUS做了簡要說明，并用其對碳纖維樹脂基復(fù)合材料層合板的沖擊進(jìn)行建模模擬，對沖擊后層合板失效性能做了簡要分析。

關(guān)鍵詞：碳纖維樹脂基；復(fù)合材料；沖擊；ABAQUS建模；失效分析

復(fù)合材料是一種非均勻的混合物，具有多種分類。其中纖維復(fù)合材料由于比重小，比強(qiáng)度和比模量大，而用量最大，應(yīng)用最廣。最常見的形式之一是交錯(cuò)粘合的層合板，層合板是由一層層的纖維平行鋪設(shè)后，再注入未固化的環(huán)氧樹脂或其他基體材料，其中基體在纖維問起傳遞載荷的作用，使纖維能夠承受壓縮和剪切裁荷。[1]

1 ABAQUS簡介

ABAQUS 公司根據(jù)用戶的反饋不斷解決各種技術(shù)難題并改進(jìn)軟件，如今，ABAQUS軟件已經(jīng)逐步完善，從簡單的線彈性靜態(tài)問題到復(fù)雜的高度非線性問題，從單個(gè)零件的力學(xué)分析到多個(gè)龐大復(fù)雜系統(tǒng)的多物理場耦合分析，ABAQUS都能駕馭。具體而言，ABAQUS除了能有效的 進(jìn)行靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、接觸分析、彈塑性分析、幾何非線性分析、碰撞和沖擊分析、爆炸分析、屈曲分析、斷裂分析、疲勞和耐久性分析等結(jié)構(gòu)分析和熱分析外，還能進(jìn)行流固耦合分析、熱固耦合分析、聲場和聲固耦合分析、壓電和熱固耦合分析、質(zhì)量擴(kuò)散分析等。[2]

2 動態(tài)接觸理論模型

下面介紹兩種接觸理論模型，第一種由Herz提出，該算法一般將沖擊物看作剛體，不受外力沖擊而變形，將受沖擊板作為形變體，假設(shè)脈沖時(shí)間和壓力峰值受沖擊物的速度、質(zhì)量和材料彈性性能的影響。

第二種采用Belytschko提出的一種理論，一般用在傾斜沖擊或者接觸面需要隨時(shí)間作調(diào)整的沖擊模型中，沖擊物在接觸過程中一般認(rèn)為有三個(gè)階段：沖擊物與沖擊板產(chǎn)生預(yù)接觸、由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能使接觸產(chǎn)生一定改變、沖擊物根據(jù)滑移。但是，由于缺少接觸限定條件，使接觸算法有效性存在一定局限性問題。

本文采用直接接觸模型，利用Herz接觸模型理論，結(jié)合動態(tài)沖擊響應(yīng)，模擬沖擊物沖擊板的低速沖擊。

3 復(fù)合材料失效準(zhǔn)則

4 本次建模算例

層合板的長度為100mm，寬度為50mm，每一鋪層的厚度為0.12mm，鋪層順序?yàn)閇0/45/-45/90]，材料為TM6/3501-6，材料屬性：E1=21000MPa，E2=E3=8400MPa，泊松比μ=0.3，G12=G13=4780MPa。

建模過程：

首先創(chuàng)建幾何模型，創(chuàng)建Lamina材料，定義材料鋪層（材料鋪層如圖1所示）。

鋪層方向?qū)雍习迨芰Φ挠绊懀?/p>

不同的鋪層方向?qū)?fù)合材料本身結(jié)構(gòu)性能有一定的影響，在沖擊過程中分層由復(fù)合材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)決定。

復(fù)合材料層合板按照不同的鋪層順序會有不同的結(jié)構(gòu)特性，由于結(jié)構(gòu)特性不同在受沖擊載荷的影響下，其損傷形式也不同，由于復(fù)合材料層合板存在基體開裂，鋪層之間受相同載荷的情況下受力不同，理論上，分層會因?yàn)榛w開裂而加劇。所以在低能量沖擊中，選取合適的鋪層方向有利于提高層合板抗沖擊性能。鋪層順序看似簡單，其性能聯(lián)系有助于在未來復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)、制造、加工時(shí)提供優(yōu)越的性能提升。

建立動態(tài)沖擊過程，模擬低速沖擊落錘實(shí)驗(yàn)。落錘沖擊實(shí)驗(yàn)原理：以規(guī)定質(zhì)量和尺寸的落錘從一定高度沖擊實(shí)驗(yàn)樣品的規(guī)定部位，即可測出該樣品的真實(shí)沖擊率。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M落錘實(shí)驗(yàn)機(jī)沖頭形狀，用帶有半球形沖頭的圓柱體對層合板進(jìn)行沖擊，建立沖擊物模擬落錘試驗(yàn)機(jī)的落錘。

ABAQUS所建模型如圖2所示，模擬沖擊后受力云圖如圖3所示。

層間應(yīng)力云圖如圖4所示，損傷由沖擊點(diǎn)開始向四周擴(kuò)散，由圖4可以看出損傷呈雙錐形，隨厚度增加，損傷面積增大。

5 結(jié)論

本文基于ABAQUS對碳纖維樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行了沖擊損傷模擬，通過失效準(zhǔn)則對沖擊后層合板失效分析，ABAQUS為失效擴(kuò)散演化提供了較好的支持。復(fù)合材料層合板在受沖擊載荷的作用下，沖擊變形的損傷面積隨層合板的厚度增加而不斷增大，這與考慮進(jìn)基體開裂因素得出的結(jié)論相符合。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳平，于祺，路春.纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的界而研究進(jìn)展[J].纖維復(fù)合材料，2006，22（1）：53-59.

[2]劉展，祖景平，錢英莉，周華樟.ABAQUS 6.6基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解.中國水利水電出版社，2008.

[3]杜善義.復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的力學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)用和評價(jià)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000.