航空電磁窗用復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊仿真模擬研究

周翔

摘 要：本文使用ABAQUS有限元軟件來模擬復(fù)合材料層合板的沖擊瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)以下假設(shè)研究沖擊的瞬態(tài)響應(yīng)：沖擊頭與復(fù)合材料層合板之間摩擦忽略不計(jì);復(fù)合材料層合板的阻尼作用忽略不計(jì);沖擊過程中的重力忽略不計(jì);將沖擊頭視為剛體。對(duì)層合板低速?zèng)_擊的分層損傷情況、沖擊力--時(shí)間、沖頭位移--時(shí)間進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)了復(fù)合材料層合板分層的方向和形狀。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;層合板;仿真模擬

本文使用Abaqus/Explicitv6.14顯式求解器進(jìn)行仿真，使用Abaqus/Explicit中編寫的VUMAT用戶子程序獲得本構(gòu)模型。[1-2]層合板層和界面的個(gè)體本構(gòu)關(guān)系為非線性響應(yīng)。通過基于三維漸進(jìn)累積損傷分析方法來模擬層合板的損傷。對(duì)平面內(nèi)剪切載荷作用下的塑性變形和破壞進(jìn)行建模，得到基體的剪切響應(yīng)。層間破壞通過使用粘性區(qū)域元素解決，對(duì)其破壞演化進(jìn)行模擬[3-4]。

1 復(fù)合材料層合板有限元模擬

1.1 層合板幾何模型

層合板幾何尺寸為150×100mm，厚度2.6mm。鋪層方式為[（45/0）/（-45）/90]5，共20層，單層厚度0.13mm。用Cohesive實(shí)體單元模擬分層損傷，有限元模型如圖1所示：

三維有限元模型是在Abaqus/Explicit顯式中生成。該模型由150×100mm的三維可變形層合板組成，夾具底座為鋼制，底座有125×75mm的矩形開口、四個(gè)直徑為14mm的剛性圓柱形夾具和一個(gè)直徑為16mm的剛性半球形沖擊頭組成。

層合板被建模為三維可變形板實(shí)體，該板由20層0.13mm等厚的單向復(fù)合層組成。在模型中，每一層被視為單一均勻厚層。平面內(nèi)網(wǎng)格在沖擊區(qū)域進(jìn)行加密處理。

1.2 接觸的定義

接觸是通過Abaqus/Explicit中的一般接觸算法進(jìn)行模擬的。在整個(gè)模擬過程中，任何可能的新接觸都將被考慮在內(nèi)。通過定義事先已知的接觸（即一層一層地）并且從接觸算法中排除內(nèi)聚性元素，提高接觸算法的效率。

通過Abaqus/Explicit內(nèi)置的摩擦模型在所有接觸表面之間引入摩擦。摩擦系數(shù)取決于接觸材料和表面質(zhì)量，本文摩擦系數(shù)設(shè)為0。

1.3 邊界條件及載荷

夾具底座為矩形鋼件，開有125×75mm的矩形開口。有1220個(gè)二次剛度單元（ABAQUS中的R3D4庫(kù)）用于夾具底座的離散化。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)對(duì)參考點(diǎn)的自由度進(jìn)行了約束。在測(cè)試夾具中，層合板固定在裝置底座上，四個(gè)獨(dú)立的剛性?shī)A頭將層合板進(jìn)行固定。在沖擊過程中，夾頭將樣品約束，所有自由度均固定。使用剛性元件（R3D4）建模。邊界條件如圖2所示。

2 分析與討論

2.1 沖擊凹坑深度

沖擊凹坑深度是比較直觀的對(duì)比參數(shù)，使用ABAQUS中顯示結(jié)果中讀取仿真模擬值，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，如表1所示。

將層合板在五種能量沖擊后的凹坑深度平均值作為試驗(yàn)值，本章所用數(shù)值模擬方法得到的結(jié)果作為計(jì)算值，通過比較，試驗(yàn)值與模擬值較為接近，30J能量進(jìn)行沖擊時(shí)的誤差最小。

2.2 沖擊損傷面積

使用ABAQUS中顯示結(jié)果中讀取仿真模擬值，從仿真模擬的結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比中可以看出，分層投影面積值與試驗(yàn)測(cè)試后C掃損傷面積基本一致。復(fù)合材料層合板分層損傷面積的試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比情況見表2。

2.3 對(duì)比結(jié)果

對(duì)比分析以上數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在小能量沖擊時(shí)，誤差較大，在中等能量沖擊時(shí)，誤差較小。分析可能的原因有以下兩點(diǎn)：①在小能量沖擊時(shí)，沖擊下落過程中的摩擦對(duì)最終沖擊能量的影響比較大，實(shí)際沖擊能量與理想的沖擊能量會(huì)有所偏差;②小能量沖擊產(chǎn)生的凹坑深度和損傷面積都較小，此時(shí)測(cè)量誤差會(huì)產(chǎn)生較大的影響。總體來說，誤差還是在合理的范圍之內(nèi)。

3 總結(jié)

復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊數(shù)值模擬研究使用ABAQUS有限元軟件來對(duì)復(fù)合材料層合板的沖擊瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算仿真模擬。根據(jù)以下假設(shè)研究沖擊過程瞬態(tài)響應(yīng)：沖擊頭與復(fù)合材料層合板之間摩擦忽略不計(jì);復(fù)合材料層合板的阻尼作用忽略不計(jì);沖擊過程中的重力忽略不計(jì);將沖擊頭視為剛體。通過仿真模擬，層合板各層損傷形貌大致呈橢圓形，分層損傷為靠近沖擊面的分層損傷較小，然后逐漸增大后減小的一種趨勢(shì)。對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果，其一致性表明，將三維漸進(jìn)損傷分析方法用于層合板低速?zèng)_擊模擬是有效和可靠的。

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