復合材料結構沖擊失效判定方法

周秋萍 熊鈴華 張克武

摘要：針對汽車底部復合材料結構受沖擊失效難以直接測量的問題，利用數值仿真技術分析復合材料結構受沖擊物擊打變形的規律，提出通過應變區域范圍判斷結構失效的方法。該方法通過遠端應變反映打擊點附近的應變。復合材料平板沖擊失效案例說明該判定方法所測應變準確，且不需要大量程應變片，測試簡單方便、成本低。

關鍵詞：復合材料; 沖擊; 失效; 應變; 區域范圍

中圖分類號：U465.6;TB115.1

文獻標志碼：B

Failure determination method on impact of composite structure

ZHOU Qiuping1， XIONG Linghua2， ZHANG Kewu1

（1. Institute of Industry Technology， Guangzhou & Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 511458， China;

2. Guangzhou GRG Metrology & Test Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

Abstract：

As to the issue that the impact failure of compositestructures at automobile bottom is difficult to measuring directly， the deformation rule of composite structures subjected to impact is analyzed using numerical simulation technology. A method to judge structural failure using strain domain range is presented. By this method， the strain near impacting point is reflected by the strain at far distance. The impacting failure case of composite plate shows that the strain measured by this method is accurate， and it does not need large range strain gauge， which can make the test more simple and convenient， and that means low cost.

Key words：

composite; impact; failure; strain; domain range

收稿日期：2019-07-29

修回日期：2019-08-28

作者簡介：

周秋萍（1984—），女，廣東廣州人，助理研究員，研究方向為固體力學，（E-mail）zhouqp@gziit.ac.cn

0?引?言

在汽車高速行駛的過程中，不可避免會濺起路面上散落的石子。這些飛濺起的碎石擊打在汽車底部，會造成汽車底部結構發生損傷破壞，影響汽車的安全性能。汽車底部時常會采用一些復合材料，這些復合材料幾乎沒有塑性變形階段[1]，所以合理判斷其結構的失效就顯得非常重要[2-3]。飛石沖擊結構件發生破壞屬于局部沖擊破壞[4]，

很難通過直接測量打擊點附近的應變判定結構是否失效[5]，而且直接測量損傷是最繁瑣低效的方法[6]。因此，提出一種通過遠端應變反映打擊點附近應變的方法，結果所測應變準確，且不需要大量程應變片，測試簡單方便且成本較低。

1?結構受飛石沖擊應變分布規律

1.1?模型建立

采用HyperMesh進行建模，選擇LS-DYNA作為求解器。受打擊結構采用六面體劃分網格，并在打擊點位置進行網格局部細分，飛石為剛體材料，直接劃分為四面體網格。

飛石與受打擊結構之間的接觸方式采用Automatic_Surface_to_Surface，接觸打擊區域采用Segment方式設置。

受打擊物取復合材料平板，平板四周固定端約束所有自由度。飛石質量為32.6 g，直接施加初始速度，飛石打擊方向垂直于復合材料平面，飛石打擊復合材料平板有限元模型見圖1。

1.2?材料本構

LS-DYNA提供豐富的材料庫，含有300多種材料本構模型。試驗中復合材料平板采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料模型，材料的彈性模量取3 100.0 MPa，泊松比取0.4，屈服應力取27.8 MPa，材料的塑性段應力-應變曲線見圖2。

1.3?仿真分析結果

飛石的速度分別取15、20、25、30、35和40 m/s，平板最大主應變大于1%的區域見圖3，飛石速度與主應變大于1%區域半徑的關系見圖4。

2?結構沖擊失效判定方法

分析結構受飛石沖擊應變分布規律可知，在材料給定的情況下，局部沖擊破壞變形隨著其與打擊點距離的增大而減小，大于設定應變值的應變區域隨著沖擊程度增大而增大。

大于設定應變值的應變范圍與損傷程度存在對應關系，該范圍大到一定程度時說明材料內部發生損傷。在打擊點局部依靠應變片測量應變非常困難，可通過應變區域大小判定損傷程度。

結構受飛石沖擊時，飛石質量m、飛石速度v、受打擊材料彈性模量E和材料失效應變ε0不同時，受打擊結構會有不同的應變分布。通過這一分布可以得到大于某一應變的區域范圍，用該區域范圍衡量結構的損傷程度。該區域范圍可以用2個尺度d和w進行衡量，應變ε>ε1的區域范圍表示為d1?和w1?，見圖5。d1?和w1?都是飛石質量m、飛石速度v、受打擊材料彈性模量E和材料失效應變ε0的函數。

設結構失效時飛石速度為v=v0，則d1?=f（m，E，ε0，v0），w1?=g（m，E，ε0，v0）。

根據試驗測得應變大于ε1的區域范圍d1?和1?，如果d1?>d1?、1?>w1?，可認為結構受飛石沖擊失效。

3?結構失效判定方法案例

以圖1復合材料平板沖擊失效案例說明結構失效判定方法。材料失效應變取6%，由于大部分應變片量程為20 000×10-6?，取大于2%應變的區域范圍衡量結構是否失效。數值仿真分析可以得到打擊速度為28.5 m/s時結構最大主應變為6%，結構發生失效。失效臨界工況平板最大主應變計算結果云圖見圖6，平板x向應變大于2%區域范圍的應變云圖見圖7。

通過上述分析可知，m=32.6 g飛石擊打材料彈性模量為3 100 MPa、失效應變為6%的平板時，失效臨界工況x向應變大于2%區域的尺度d=16.3mm，w=6.7 mm。

根據試驗可測得應變大于2%的區域范圍d2%?和2%?，如果d2%?>16.3 mm、2%?>6.7 mm，可認為結構受飛石沖擊失效。

4?結束語

與金屬相比，復合材料具有剛度低、各向異性、易成型、基本無塑性變形等特點，針對復合材料的自身特點進行構件設計、對相關構件的沖擊失效模式和相關的失效判定標準進行研究有非常重要的現實意義。本文提出通過應變區域范圍判斷結構失效的方法，是通過遠端應變反映打擊點附近應變的方法。該方法所測應變準確，且不需要大量程應變片，測試簡單，成本低，預期成果實用性強，可完善結構失效判定方法，有較好的工程應用與市場前景。

參考文獻：

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（編輯?武曉英）