贴近度法表征复合材料层合板低能量冲击行为

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复合材料层合板低速冲击损伤影响因素分析

复合材料层合板低速冲击损伤影响因素分析屈天骄;郑锡涛;范献银;郑晓霞【摘要】Damage of composite laminates due to low-velocity impact depends on number of factors. The simulation of composite laminates damage is carried out with ABAQUS software. Several influence factors are analyzed in order to foresee the damage resistance of composite laminates in the early stage with the method which regards damage area as the single-variable parameter. Delamination is one of leading damage forms of laminates. Based on damage mechanics, fracture mechanics and cohesive theory, cohesive unites are constituted in this paper to simulate delamination accurately. The point of inflexion is a central characterization of damage resistance. Based on the experiments and finite element model, damage resistances of different laminates are determined by contrasting diverse inflexion value which can be calculated on impact force-time curves. The rationality of the model has been confirmed by the low-velocity impact test.%运用ABAQUS软件对复合材料层合板低速冲击下的损伤状态进行模拟,采用单一变量法,以损伤面积为表征参数,针对影响低速冲击下复合材料层合板损伤性能的诸多因素进行分析,以便在材料研制的初期预见其损伤阻抗.分层损伤是层合板低速冲击下的主要损伤形式之一,基于损伤力学、断裂力学和黏性理论,建立零厚度的三维界面单元来精确模拟层间分层.拐点是损伤阻抗的主要表征,基于试验研究和有限元模拟,在冲击力-时间曲线上计算出拐点,通过比较不同材料的拐点值,判定不同层合板的损伤阻抗.低速落锤冲击试验验证了此模型的合理性.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2011(031)006【总页数】6页(P81-86)【关键词】冲击损伤;影响因素;材料体系;冲头;铺层序列【作者】屈天骄;郑锡涛;范献银;郑晓霞【作者单位】西北工业大学航空学院,西安710072;西北工业大学航空学院,西安710072;西北工业大学航空学院,西安710072;沈阳发动机设计研究所,沈阳110015【正文语种】中文【中图分类】TB332低速冲击对复合材料层合板造成的损伤会使结构的力学性能退化，严重威胁飞机机体的安全。

复合材料层合板低速冲击后剩余压缩强度研究

嚣‘ 嚣。ｃ＋＋ ≥
（）伤累积法，用动态有限元计算层板的冲击４损利损伤，以其对应的退化后的刚度作为板的初始损伤，再用损伤累积法模拟板的压缩破坏过程，计算剩并
代冲击损伤，之后用孔边断裂韧性来判定板的破坏；
１面内损伤及失效准则
复合材料层合板的冲击及冲击后压缩过程中的
面内损伤主要有纤维断裂、体开裂、体挤压等形基基式。Ｊ．Ｈｕ等考虑各种应力对不同失效模式．Ｐｏ的影响后，出了基于应力的包括基体开裂、体挤提基压破坏、纤维断裂等主要破坏模式的冲击损伤失效准则。文献［］３作者认为基于应变的损伤准则更适合用来预测复合材料冲击损伤，它们是：纤维拉伸失效
缩破坏特征及ＣＩＡ的计算值与试验结果有良好的一致性，表明文中所采用的模型、算法与损伤处理方
法是合理的
关
键
词：复合材料，算机模拟，计分层，限元法，击阻抗，击后压缩，速冲击有冲冲低
文献标识码：Ａ文章编号：００２５（０２０－１－１０－７８２１）４０８０５６
中图分类号：２４８３７３Ｖ１．，０４．
纤维增强复合材料层合结构在受低速冲击后，损伤将严重削弱结构的压缩强度，结构安全性形对成潜在的威胁。所以研究复合材料层合板的低速冲击损伤及剩余压缩强度（Ａ值）有重要的意义。ＣＩ具目前计算ＣＩ的方法主要有４种 … ：１软化夹Ａ值（）杂法，冲击损伤等效成规则形状的软化夹杂，后将然用应力准则、变准则或其他准则判定板的失效；应（）２子层屈曲法，冲击损伤看作大小不同的多个将规则形状的分层，为压缩破坏过程是各个子层不认断发生屈曲失效的过程，当所有子层都屈曲时，结构发生破坏；３开口等效法，一个圆孔或椭圆孔取（）用

复合材料层合板低速冲击损伤方法研究

复合材料层合板低速冲击损伤方法研究
张小娟，张博平
( 西北工业大学航空学院，陕西西安 710072 )
摘
要: 在试验的基础上，分析了冲击能量与凹坑深度之间的关系，拟合出了冲击能量与凹坑深度
曲线方程�曲线方程表明，凹坑深度的变化是与冲击能量的变化过程相适应的，从而在凹坑深度已知的情况下可以计算得到层合板所受的外载，有此外载从便对层合板进行相应的模拟�利用 A N SYS 有限元程序对复合材料层合板横向低速冲击进行了模拟，模拟采用瞬态分析方法�对冲击后的试件进行了 C 扫描，在此基础上对损伤的分布形式及大小做了详细的分析 �计算结果和试验结果表明，方法是可行的，拟合曲线是正确的，且适合于层合板冲击后的损伤评估� 关键词: 复合材料层合板; 低速冲击; 冲击能量; 损伤; 有限元中图分类号: O242. 1 文献标识码: A - 654X ( 20 1 0) 03- 0 068-03 文章编号: 1671
用特殊壳单元研究了层间剪切应力分布� Scot tR.
6］ Fi n n & G eorge S. Spr i n ger［研究了层合板在静态或冲
收稿日期 : 200 9- 1 2-1 6
修订日期 : 2010- 04- 06
作者简介 : 张小娟 ( 1982 - ) ，女，陕西渭南人，硕士，研究方向为复合材料性能 �
22刚度退化复合材料板破坏时逐层逐单元发生的单元发生破坏后其刚度将发生变化应力在各单元中的分布也随之改变因而刚度退化方法选择得是否适当对求解层合板的最终强度有很大影响本文采用以下刚度退化方法9

三维渐进损伤的复合材料层合板低速冲击模型

三维渐进损伤的复合材料层合板低速冲击模型郭卫【摘要】为了有效反映复合材料层合板面内和层间的非线性损伤，建立了一个新型的损伤模型，该模型基于三维实体单元和内聚力单元可以有效分析复合材料层合板在低速冲击作用下的层内和层间非线性失效行为。

对于复合材料层合板面内损伤，以改进的Hashin失效准则作为起始损伤准则，提出了一种基于能量释放率的损伤变量指数渐进演化模型，既描述了复合材料损伤的渐进失效过程，又避免了材料刚度突然下降导致刚度矩阵奇异的不足，同时引入特征长度来降低结果对网格的依赖性，最终建立了单层板的渐进损伤非线性分析模型；针对层合板的层间损伤，采用内聚力单元来模拟，通过结合传统的应力失效准则和断裂力学中的能量释放率准则定义了界面损伤演化规律。

该损伤模型通过商用有限元软件ABAQUS/Explicit 的用户子程序VUMAT实现，并使用该模型对碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板在横向低速冲击作用下的损伤和变形行为进行预测分析。

数值仿真的结果与试验结果进行了比较，吻合良好，验证了该模型的有效性。

%In order to effectively describe the progressively intralaminar and interlaminar damage for composite laminates , a three dimensional progressive damage model for composite laminates used for low-velocity impact is presented in this paper .Being applied to three di-mensional solid elements and cohesive elements , this nonlinear damage model can be used to analyze the dynamic performance of composite structure and its failure behavior .For the in-tralaminar damage , as a function of energy release rate , this damage model in an exponential function can describe progressive development of the damage;for interlaminar damage , dam-age evolutionwas described by the framework of the continuum mechanics through cohesive elements.Through coding user subroutine VUMAT of finite element software ABAQUS /ex-plicit, and applied the model to an example ,carbon fiber reinforced epoxy composite lami-nates under low velocity impact , the prediction for damage and deformation were good agree-ment with the experimental results .【期刊名称】《哈尔滨商业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6页(P455-460)【关键词】复合材料层合板;渐进损伤;分层损伤;低速冲击【作者】郭卫【作者单位】上海飞机设计研究院，上海201210【正文语种】中文【中图分类】TB332复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同形态的原材料，通过复合工艺组合而成的一种材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又具备了原组分材料所没有的新的性能.但由于其沿厚度方向的性能不连续、层间强度较低，使得其低速冲击损伤成为工程实际中十分关切并得到广泛研究的问题.在冲击载荷作用下，损伤破坏模式主要表现为纤维断裂、基体开裂、层与层之间的分层损伤等，其过程很复杂，没有解析解, 因而使用有限元法求解越来越显示出其优势.为了预测复合材料层合板在低速冲击载荷下的损伤扩展情况，虽然很多学者都对其进行过探索性试验，并且提出了很多分析模型来预测层合板的损伤情况.但是因为冲击响应的分析过程比较复杂，因而采用何种损伤和演化准则仍然没有统一的认识.Tan[1] 等的渐进损伤分析模型中采用基于壳单元理论进行应力求解，但是却无法较好的反映层合板三维效应和铺层之间的相互作用.Chang[2-3]等在研究T300/976复合材料层合板强度时，根据不同的失效模式将相应的材料弹性常数退化为零，认为层合板一旦发生失效就不可以继续承载，明显与实际不符，因而预测的强度偏小.Camanho[4]等在分析T300/914复合材料层合板接头拉伸强度时，将Tan[1]的参数退化方式扩展到三维，认为材料发生损伤后，其弹性常数退化到一定程度，因此退化系数需要大量的试验进行测定，另外由于层合板的弹性系数突然降低同时会造成刚度矩阵的奇异，很容易发生计算无法进行.为了解决这些问题，张彦[5-6]等使用ABAQUS建立了以基于应变Hashin 失效准则基础上的层内损伤，并通过结合传统的应力失效准则定义了损伤演化规律，但是由于文中提出的损伤演化规律没有考虑到能量释放率和损伤力学对于网格的依赖影响，因而对于预测的分层面积和实验值相差很大.本文基于有限元软件ABAQUS对复合材料层合板低速冲击，建立了一个有效反映复合材料层合板面内和层间的非线性损伤模型，该模型基于三维实体单元和内聚力单元可以有效分析层合板层内和层间失效行为.对于复合材料层合板面内损伤, 以改进的Hashin失效准则作为起始损伤准则，提出了一种基于能量释放率的损伤变量指数渐进演化模型，既描述了复合材料损伤的渐进失效过程，又避免了材料刚度突然下降导致刚度矩阵奇异的不足，同时引入特征长度来降低网格的依赖性，最终建立了单层板的渐进损伤非线性分析模型.该损伤模型通过商用有限元软件ABAQUS/Explicit 的用户子程序VUMAT实现，并使用该模型对复合材料层合板在横向低速冲击作用下的损伤和变形行为进行预测分析，数值仿真的结果与试验结果进行了比较，吻合良好, 验证了该模型的有效性.1 复合材料三维渐进损伤模型1.1 层合板面内渐进损伤模型本文中考虑的失效模式包括纤维断裂、纤维挤压、基体开裂和基体挤裂4种模式，每种失效模式可以看作是在结构损伤过程中当一种特定的应力分量组合达到特定值时的一种明显状态，因此本文采用被众多研究人员普遍认可的三维Hashin失效准则[7]，其具体形式：1) 纤维断裂(1)2) 纤维挤压(2)3) 基体开裂(3)4) 基体挤裂(4)其中：σi为单元的正应力，σij为单元的剪应力，Xt、Xc、Yt、Yc、S12、S23、S13分别为轴向拉伸、轴向压缩、横向拉伸、横向压缩和各方向剪切强度.只要单元内的各应力分量满足上述一个式子，即认为发生了该式子对应的破坏的模式.当复合材料积分点满足失效准则时，其材料积分点应力和刚度开始发生退化，进行应力更新.本文引入连续损伤变量来预测复合材料结构内部损伤的产生和演化，特征值dft表示纤维断裂，dfc表示纤维挤压，dmt表示基体开裂，dmc表示基体挤裂，这些损伤变量的定义域为[0,1]，当d=0时，表示没有损伤产生，当d=1时，表示材料完全破坏失效了.使用上面四个损伤变量定义全局损伤，对于纤维损伤使用df来表征，对于基体损伤使用dm来表征：df=1-(1-dft)(1-dfc)(5)dm=1-(1-dmt)(1-dmc)(6)当材料积分点满足失效准则时，其刚度矩阵可以根据下面方程计算:(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)当复合材料发生损伤，对于纤维增强复合材料损伤累积引起的材料非线性，本文提出使用非线性指数函数定义损伤演化规律的方法，使材料性能逐渐下降，该方法可以避免刚度矩阵退化过程中矩阵的奇异性，又可以通过控制能量释放率保证材料刚度的迅速折减，达到积分点损伤破坏的目的，最终保证计算的顺利有效进行.(16)(17)(18)(19)其中:Gft、Gfc、Gmt和Gmc材料临界断裂能，Lc是单元的特征长度，本文参考ABAQUS，在损伤材料点的应变软化区域引入单元特征长度来降低其对于网格的敏感性，减小其对于网格的依赖特性.1.2 层合板层间渐进损伤模型大量试验表明，层合板的分层损伤在铺设角度不同的两相邻子层之间的界面处产生并扩展，因此把内聚力单元引入到可能发生分层的位置可以有效的预测分层损伤的产生、损伤扩展直至最后分层的发生.定义内聚力单元的应力分量为t1、t2、t3，ε为求的内聚力单元名义应变，可以得到本文所使用的内聚力单元本构关系如下：(20)其中：kn、ks、kt分别是内聚力单元法向刚度和切向刚度.Alfano[8]对双线性本构、梯形本构、指数本构、和线性抛物线内聚力模型做了分析比较，综合看在静态载荷作用下的中，双线性准则无论对于计算的经济行还是准确性以及收敛特征都是很好的选择，因此本文选择双线性本构模型来进行复合材料层合板的层间渐进损伤分析，其双线性本构模型典型的相对位移-牵引力曲线如图1.图1 双线性本构模型典型曲线根据图1，可以给出初始破坏点对应的界面相对位移，如下：(21)其中：N为界面的法向强度，S、T为界面的剪切强度.混合模式下的内聚力单元损伤扩展判据采用由Benzeggaph和Kenane[9]提出的B-K准则，该准则考虑了不同裂纹模式下应变能释放率直接的耦合关系，其表达式如下：(22)其中:2 复合材料层合板低速冲击分析算例验证2.1 模型参数试验中层合板尺寸150×100 mm，厚度5.8 mm，铺层方向[454/04/-454/904]s 对称铺层其基本力学性能见表1，层间性能见表2，通过四个刚性压头固支形成一个125×75 mm的冲击区域.刚性冲头为半球形，前端直径为16 mm，质量为5kg[10].表1 单层板材料基本力学性能E11/GPaE22/GPaG12/G Paυ11 υ23XT/MPaXC/MPaYT/MPaYC/MPaSL/MPa1287.64.40.350.452 300153126199.878.4表2 层间强度及层间韧性层间强度t0n=t0s=t0t=26.0MPa断裂韧性GIC=0.28N/mm;GⅡC=GⅢC=0.79N/mm2.2 有限元模型建立为了降低边界约束对试验结果的影响，本文在对复合材料层合板低速冲击部分建立有限元模型时，建立了试验中所有部件，即刚性底座、四个刚性压头、试验层合板、以及刚性冲头四部分,层合板子层选择沙漏增强的C3D8R单元；层间选择内聚力(CHO3D8)单元，其余全部选择离散刚体.为了保证接触区域分析精度，划分网格中部60×60区域内进行细化，其余部分按比例划分；四个刚性压头施加预紧位移0.015 mm，低速冲击的有限元模型如图2所示.图2 复合材料层合板低速冲击有限元模型2.3 数值仿真结果及讨论本文主要对冲击能量为19.3 J试验进行分析，图3中显示了数值计算和试验中冲击接触力随时间的变化曲线，从图3中可以看出冲击接触力峰值和试验值吻合的很好[11].图3 冲击能量为19.3 J下的接触力时间曲线图4为其各子层的基体损伤形状以及各层间分层，由图4可知，各层间的分层形状基本呈现对称的双叶形，即花生状，主轴方向沿着下层纤维的铺设方向，且靠近冲击背部的界面分层面积要大于靠近冲击点处的界面分层面积；基体损伤通常沿着该层纤维方向的带状分布，越是靠近冲击背部，基体开裂的长度越大，但发现靠近底层的铺层基体的方向沿着方向，其原因是因为其处在和之间，铺层角度变化最大，并且其下方有大面积分层出现，改变了该层的应力分布所致.图5所示冲击层合板后使用C扫描得到的分层面积，图6所示是使用绘图软件描边得到的数值计算和试验对比结果，从图5中可以看出分层面积在其沿长度和宽度的两方向上最大尺寸吻合的很好，但是整个投影面积有一定的误差，其试验投影面积最大值为4 000 mm2，图6是其数值计算的所有分层的投影面积，其值为4 450.9 mm2，其误差为11.3%.45°(45°/0°)45°(0°/-45°)-45°(-45°/90°)90°(90°)-45°(90°/-45°)0°(-45°/0°)45°(0°/-45°)图4 各子层的基体损伤形状以及各层间分层形状图5 试验分层面积图6 试验与数值计算分层投影面积对比3 结论本文基于损伤力学理论，建立了一个反映复合材料层合板面内和层间的三维渐进损伤的非线性损伤模型，研究了复合材料层合板在低速冲击作用下的层内和层间冲击响应下的非线性失效行为，可以得到如下结论：对于复合材料层合板面内损伤, 本文以改进的Hashin失效准则作为起始损伤准则，提出了一种基于能量释放率的损伤变量指数渐进演化模型，既描述了复合材料损伤的渐进失效过程，又避免了材料刚度突然下降导致刚度矩阵奇异的不足，同时引入特征长度来降低网格的依赖性，最终建立了单层板的渐进损伤非线性分析模型.针对层合板的层间损伤, 本文采用内聚力单元来模拟，通过结合传统的应力失效准则和断裂力学中的能量释放率准则定义了界面损伤演化规律.对试验结果进行对比分析，发现在冲击过程中，层合板最先产生的损伤形式是基体开裂和层间分层，并且是其能量消耗的主要表现形式，冲击造成的基体损伤，其方向一般沿纤维方向，并且越是靠近背部基体损伤较为严重，冲击造成的层间分层主要发生在不同铺层之间，一般呈现双叶形，即花生形，并且主轴沿着下子层的纤维方向，这与试验观察到的现象是一致的.参考文献：[1] TAN S C. A progressive failure model for composite laminates containing openings[J]. Journal of Composite Materials, 1991, 25: 556-577.[2] CHANG F C K. A progressive damage model for laminated composites containing stress concentrations[J]. Journal of Composite Materials, 1987, 21: 834-855.[3] CHANG K, LIU S, CHANG F. Damage tolerance of laminated composites containing an open hole and subjected to tensile loadings[J]. Journal of Composite Materials, 1991, 25: 274-301.[4] CAMANHO P P, DAVILA C G. Mixed-mode decohesion finite elements for the simulation of delamination in composite material[R]. NASA/TM-2002-211737, 2002: 1-37.[5] 张彦, 朱平, 来新民, 等. 低速冲击作用下碳纤维复合材料铺层板的损伤分析[J]. 复合材料学报, 2006, 23(2): 150-157.[6] 张彦, 来新民, 朱平, 等. 复合材料铺层板低速冲击作用下损伤的有限元分析[J]. 上海交通大学学报, 2006, 40(8): 1348-1353.[7] HASHIN Z. Failure criteria for unidirectional fiber composites[J]. Journal of Applied Mechanics, 1980, 47: 329-335.[8] ALFANO G. On the influence of the shape of the interface law on the application of cohesive-zone models[J]. Composites Science and Technology, 2006, 66(6): 723-730。

复合材料层压板低速冲击和准静态压痕损伤等效性的研究

验效率，而且可有效指导高韧性和高损伤容限复合材料体系的研制。
能很好地反映两者的等效性关系，国内相关报道且相对较少。
Ｂ（４１树脂：京航空材料研究院先进复ＭＩ６２）北合材料重点实验室提供；增强纤维：７０单向织物，维面密度１２／Ｔ０纤９ｇ
随着纤维增强复合材料在航空航天结构日益广
复合材料低速冲击试验采用ＡＴ７３０ＳＭＤ１６— ５标准，静态压痕试验采用ＡＴ６６９准ＳＭＤ２４— ８标准 ” 。本研究采用相同的复合材料层板存相同的试验条件下，据上述标准对复合材料低速冲击依．．试验和准静态压痕试验的损伤等效性进行研究，这
第３１卷第３期
２１６月０Ｉ年
航
空
材
料
学
报
Ｖｏ．１３１．Ｎ（３）．
ＪＯＵＲＡＬＯＦＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬＭ．ＴＥＲ【￣ＡＬＳ
Ｊｅ２ｔｕｎ０１
Байду номын сангаас
复合材料层压板低速冲击和准静态压痕损伤等效性的研究
闫丽，安学锋，蔡建丽，张代军，益小苏
（京航空材料研究院先进复合材料重点实验室，京１０９）北北００５

复合材料层合板低速冲击损伤的有限元模拟_朱炜垚

有限元动态显示算法中, 单元损伤前后应力变化比
较剧烈, 而应变变化则比较平缓, 故基于一维情况
下的应力应变表达式, 将前人基于应力描述的失效准则转换为基于应变描述的失效准则:
Rxx = E11 Exx , Ryy = E 22 Eyy
Rz z = E33 Ez z , Rxy = G12 Exy
( 1)
强度; ET22 、EC22 分别是单向板横向对应于拉伸、压缩强度的应变强度; Cij ( i X j ) 为单向板对应于剪切强度的剪切应变强度。通过式( 1) 、式( 2) 便可以推导
出基于应变描述的失效准则。模型所使用的单层板
失效准则包含基体开裂、基体挤裂、纤维断裂、纤
维挤压 4 种失效形式, 其表达式如下:
采用超声 C 扫描对损伤前后的试件进行观察。实验前, 目视检查并抽样对试件进行 C 扫描无损检测, 以确保实验件没有初始的内在损伤。冲击后, 先通过目视检测各典型试件的正反面凹坑、基体开裂、纤维断裂等外观损伤, 发现在该实验系列所有能量等级下, 冲击点表面均出现了表面凹坑, 冲击背部表面则出现了沿着纤维方向的基体开裂和少量的纤维断裂损伤。然后对每个试件都进行了 C 扫描, 结果显示, 试件内部均产生了不同程度的分层损伤, 损伤投影的形状大致成圆形或椭圆形, 损伤的面积与冲击能量相关, 冲击能量越大, 损伤面积越大。不同能量冲击下层板损伤 C 扫描的一些结果如图 1 所示。
由于冲击过程的复杂性和冲击损伤形式的多样性, 许多学者[ 1-7] 使用有限元这一技术来研究这个问题。Choi[ 1-2] 等认为低速冲击过程中最先产生的
损伤形式是基体裂纹, 然后基体裂纹导致了层间分层的产生, 由此提出了一个判断冲击损伤起始以及分层扩展的准则, 但是该准则中的一些参数需要由实验来确定, 因而使用受到一定限制。H ou[ 3] 等使用显式有限元算法, 考虑了层板面外剪切力的影响, 改进了 chang- chang 失效准则, 采用实体单元进行了低速冲击过程模拟和损伤分析, 其研究中对多种损伤形式都加以考虑, 由于以应力退化作为材料参数退化方式, 并不能反映出材料自身性能的变化, 且所预测的分层损伤大小和形状与实验结果不是很吻合。M oura[ 4] 等提出了一个改进的层间分层准则, 预测的分层形状和面积与实验

低速冲击与准静态压痕力下复合材料层合板的损伤等效性

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93 0
航空学报
第 31 卷
试样分层损伤由中国飞机强度研究所自行研制的超声 C 扫描仪测得。采用 ISM25800 扫描电镜对凹坑表面显微形貌进行观察。用 C 扫描和渗透剂增强 X 射线法检测损伤 ,记录各试样的压痕深度、接触力、损伤面积、损伤宽度等数据。
第 31 卷第 5 期 2010 年 5 月
航空学报 AC TA A ERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SIN ICA
Vol1 31 No1 5 May 2010
文章编号 :100026893 (2010) 0520928206
低速冲击与准静态压痕力下复合材料层合板的损伤等效性
11 1 落锤冲击试验
根据 A S TM D7136 标准对 T300/ N Y9200 G
图 2 准静态压痕试验装置 Fig1 2 Quasi2static indentatio n device
加载速度为 1 mm/ min ,通过把位移控制的半球形冲头压入试件表面来缓慢地施加准静态压痕力 ,直至达到所需的损伤状态。用深度计测量试件在准静态压痕力下的凹坑深度 ,为防止凹坑深度随时间松弛 ,测量在卸载后立即进行。
飞机复合材料结构在制造、使用和维修过程中不可避免地会遇到低能量冲击 ,如跑道碎石、冰雹、工具坠落等。这些低能量冲击会使层合板内部的力学性能严重退化 ,使结构承载能力大大降低 ,威胁复合材料飞机结构的安全 ,因此越来越受到设计人员和维修人员的重视。

复合材料层压板结构低速冲击损伤仿真的分析

ＧＵＯＸｉａｏ－Ｈｕａｎ，ＳＵＮＦａ－Ｌｉａｎｇ，ＦＡＮＨｏｎｇ－Ｂｏ
（ＴｈｅＦｉｒｓｔＡｅｒｏｎａｕｉｔｃａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｉｒＦｏｒｃｅ，ＸｉｎｙａｎｇＨｅｎａｎ４６４０００，Ｃｈｉｎａ）
所开发的低速冲击损伤数值仿真模型能够较好地对损伤进行预判。
关键词：复合材料；数值模拟；冲击实验；损伤规律
中图分类号：ＴＰ３９１．９
文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２ — ６６７３．２０１５．０５．０３４
存在明显的对冲击的敏感性。损伤形态为典型的 “ ８ ” 字形，损伤以分层破坏为主并且是一个由被冲击材料背面向冲击接触面发展的过程，上述规律可用应力波理论解释。同时，试验证明论文
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｏｄｅｌｏｆｌｏｗ —ｖｅｌｏｃｉｔｙｉｍｐａｃｔｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｄａｍａｇｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓｗｉｔｈｍｏｒｅｐｈｅｓ．Ｃｏｍ— ｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓｉｓｖｅｒｙｓｅｎｓｉｉｔｖｅｔｏｉｍｐａｃｔ．ＴｈｅｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｉｓｓｉｍｉｌａｒｔＯ” ８ ”ｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｍｔｈｅｂａｃｋｔｏｔｈｅｓｉｄｅｏｆｉｍｐａｃｔｃｏｎ —

复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素

复合材料层合板低速冲击损伤特性影响因素朱东俊;张玮;葛亮;杨程【摘要】基于二维Hashin失效准则，在充分考虑低速冲击下层合板纤维和基体拉压失效等损伤模式下，计及材料退化并引入损伤因子，运用ABAQUS软件建立复合材料层合板低速冲击有限元模型。

运用该模型深入研究层合板低速冲击问题，考察其动态响应和损伤演化过程，数值结果和实验值吻合良好，验证模型的合理性和准确性。

在此基础上，通过对层合板进行各冲击工况的数值模拟，详细讨论冲击能量、铺层形式等参数对层合板低速冲击动态响应和损伤特性的影响规律。

%A finite element model for analyzing low velocity impact damage of composite laminates was established base on ABAQUS software platform, the typical failure modes, such as fiber break, matrix cracking were simulated by employing the two-dimensional Hashin criterion, material degradation and damage factor were taking into account in this model. By adopting this model, the dynamic response and damage propagation of laminates were studied. The numerical results well agree with the experimental results and thus verify the accuracy of the model. On this foundation, laminates under various impact conditions were simulated. Parametric studies were conducted to study the effects of the impact energy and stacking sequence on the dynamic response and the damage of composite laminates under low velocity impact.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2014(000)011【总页数】9页(P57-65)【关键词】层合板;低速冲击;动态响应;损伤【作者】朱东俊;张玮;葛亮;杨程【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001;海军装备研究院，北京100161;哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TB33复合材料层合板拥有优良的力学性能，已被广泛的应用于航空航天及船舶等领域。

复合材料板受低速冲击时能量吸收的实验研究

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复合材料层合板在低速冲击作用下的损伤分析

上面内损伤对层间分层影响很大。基于有限元方法，据复合材料层合板的损伤根
特征，复合材料层合板看作是由宏观材料性能相将同的单层板通过界面粘结而成的一种结构，立了建考虑层内损伤的单层板的逐渐累积损伤分析模型和考虑层间分层损伤的层间界面分层损伤模型，预来测复合材料层合板在冲击作用下的损伤。模拟结果
航空航天
复合材料层合板在低速冲击作用下的损伤分析
，
张
丽李亚智张金奎 Байду номын сангаас
（西北工业大学航空学院，西安７０７）１０２
摘
要
进行了复合材料层合板在低速冲击载荷作用下的损伤模拟数值分析。建立了实体单元与ｃｈｓｅ界面单元相结合ｏｅｉｖ
展过程，他以应力更新作为材料参数退化方式，但很
难反映出材料自身性能的退化。Ｌｕ和Ｚｅｇ２运ｉｈｎ＿用能量刚度退化方法来预测碳纤维／氧基复合材环料的损伤特性，没有考虑层间分层失效。但ＡｍｒｈＩ则使用ｃｈｓｅｚｎ模拟不同铺层的层ｙｅｉ］ｃｓｏｅｉｏｅｖ间区域，好地预测了分层损伤的位置、状和大较形小。但是该方法没有考虑面内损伤的影响，事实而
烈，不再适合使用基于应力描述的准则来预测复合材料层合板的冲击损伤。而应变在复合材料结构发生损伤前后变化比应力较平缓。所以，于应变的基

复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

地模拟了复合材料层合板的冲击损伤文献
．
［
9
1
，
5
－
1
6
］
层可以通过层内基体裂纹表征因此本文采用连续
．
，
提出基于材料应变能释放的损伤线性软化模型伤程度经应变控制通过引入单元特征长度在
，
试验中的观测值
而非根据冲击条件下单层板的实基于冲击载荷下复合材料层合板的损伤机理分
．
际应力状态确定断裂面角度针对材料损伤萌生后的析
，
本文认为
：
（
1
）
复合材料基体裂纹将直接造成材
预测了
．
不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数
，
试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性
一
模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在
，
提出了
．
一
种各向异性材料连续介质损伤力学模型
，
模型涵盖损
，
伤表征
、
损伤起始判定和损伤演化法则
，
3
个方面通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征

基于LS-DYNA的复合材料层合板低速冲击损伤研究

基于LS-DYNA的复合材料层合板低速冲击损伤研究刘玄;张晓晴【摘要】Combined stress intensity field theory and cohesive zone theory, a new low-velocity impact damage model for composite materials is investigated. 'Hie numerical method is implemented via a commercial finite element code, LS-DYNA. The new low-velocity impact damage model is verified using analysis of cases. The results for the low-speed impact damage resistant composite materials provide a theoretical basis.%结合应力强度理论和粘接域理论,提出一种全新的复合材料低速冲击损伤模型,利用大型动力有限元软件LS-DYNA进行实现,并通过算例的分析,验证了该模型的准确合理性.研究结果为复合材料抗低速冲击损伤提供理论依据.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)012【总页数】5页(P2888-2892)【关键词】复合材料;低速冲击损伤;粘接域;有限元【作者】刘玄;张晓晴【作者单位】华南理工大学土木与交通学院,广州510640;华南理工大学土木与交通学院,广州510640【正文语种】中文【中图分类】V214.8复合材料结构在受到外来物冲击，特别是低速冲击时，极易产生各种内部损伤破坏，造成强度、刚度下降，削弱了复合材料性能，且内部损伤往往难以及时发现，从而增加了发生突然事故的可能性，这己成为复合材料进一步广泛应用的主要技术障碍。

复合材料层压板低速冲击和准静态压痕损伤等效性的研究

复合材料层压板低速冲击和准静态压痕损伤等效性的研究闫丽;安学锋;蔡建丽;张代军;益小苏【摘要】Through the comparison of low-velocity impact testing and quasi-static indentation and testing, three kinds of relationship are obtained between the impact energy ( or the quasi-static indentation force) damage area and dent depth. An analysis of these relationships indicates clearly that the damage area and dent depth can be chosen as the damage parameters to set up the damage relationship between drop-weight impact and quasi-static indentation. When impact energy or quasi-static indentation force is reached at the some value, then,the knee point appears in the three kinds of relationship curves, and the knee-points of the two tests are very close and the variation tendency is identical, which indicates that quasi-static indentation tests may replace low-velocity impact tests. Under the lower impact energy ( before knee point ), quasi-static indentation force approximately is equal to the maximum force caused by impact process of corresponding impact energy. By analyzing the process of the two tests, the delamination onset load in the quasi-static indentation is lower than that in the low-velocity impact, but the tendency of the load variation is similar, which further indicates the damage equivalence of composite laminates subjected to low-velocity impact and quasi-static indentation tests.%通过对低速冲击试验和准静态压痕试验进行对比,获得了冲击能量(准静态压痕力)与层压板损伤面积、损伤宽度和凹坑深度的三组对应关系.分析表明,损伤面积、损伤宽度和凹坑深度均可作为损伤参数来建立低速冲击和准静态压痕损伤的等效性.当冲击能量或准静态压痕力达到一定值后,三组对应关系曲线上出现拐点,两类试验的拐点相差很小,且两类试验的变化趋势相同,初步说明了用准静态压痕试验替代低速冲击试验是可行的,同时在较低冲击能量(拐点值之前)下准静态压痕力近似等于相对应的冲击能量下冲击过程的最大接触力.对两类试验过程进行分析,准静态压痕试验的初始分层载荷较冲击试验稍低,但两类试验过程中载荷的变化趋势相同,进一步说明了低速冲击试验和准静态压痕试验损伤的等效性.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2011(031)003【总页数】5页(P71-75)【关键词】复合材料层压板;低速冲击;准静态压痕;损伤面积;损伤宽度;凹坑深度;等效性【作者】闫丽;安学锋;蔡建丽;张代军;益小苏【作者单位】北京航空材料研究院,先进复合材料重点实验室,北京,100095;北京航空材料研究院,先进复合材料重点实验室,北京,100095;北京航空材料研究院,先进复合材料重点实验室,北京,100095;北京航空材料研究院,先进复合材料重点实验室,北京,100095;北京航空材料研究院,先进复合材料重点实验室,北京,100095【正文语种】中文【中图分类】TB332随着纤维增强复合材料在航空航天结构日益广泛的应用,研究复合材料的损伤对其强度、刚度及疲劳寿命的影响愈来愈重要。

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

复合材料学报
A CTA M A T ER I A E COM PO S ITA E S I N ICA
第 18 卷第 1 期 2 月 2001 年
Vol . 18 N o. 1 Feb ruary 2001
文章编号: 100023851 ( 2001) 0120115205
收稿日期: 1999207215; 收修改稿日期: 1999209206 基金项目: 航空科学基金资助项目 (96B51017) 作者介绍: 程小全 (1967) , 男, 博士, 副研究员, 研究方向主要有复合材料力学、复合材料损伤力学、耐久性及损伤容限设计等。
・116・
复合材料学报表 2 不同能量冲击后板的前表面凹陷深度
试件的铺层
[ [ 45 02 - 45 902 - 45 0 45 90 ] S ] S [ [ 45 - 45 0 - 45 0 45 90 45 0 - 45 ] S ] S [ [ 45 0 - 45 0 - 45 0 45 0 90 0 ]S ] S [ [ 45 0 - 45 902 - 45 0 45 ] S ] S [ - 45 90 45 0 ] 4S
[ 1, 5 ] [1]
损伤 [ 3～ 5 ]。由于测试手段的限制, 对冲击后层合板的压缩破坏机理了解得还不十分清楚。目前已有的对低速冲击后层合板压缩破坏机理的描述大致有三类, 并有三种压缩破坏的分析模拟方法 [ 1 ]: ( 1) 软化夹杂法, 将冲击损伤等效成规则形状的软化夹杂, 然后用应力准则、应变准则或其它准则判定板的失效; ( 2 ) 子层屈曲法, 把冲击损伤看成是大小不同的多个矩形分层, 认为压缩破坏过程是各子层的屈曲, 当
低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

航空复合材料结构低能量冲击定位方法研究

航空复合材料结构低能量冲击定位方法研究近年来，随着航空技术在不断进步，飞行器使用的构件越来越复杂。

由于航空复合材料结构具有较灵活的特性，它作为结构材料广泛应用于航空器中，但它也存在一定的缺陷。

因此，对航空复合材料结构的低能量冲击定位具有重要的意义。

为了解决这一问题，有必要研究低能冲击的定位方法。

主要包括以下几方面：（1）研究复合材料结构中的压力分布，模拟冲击场和位置；（2）研究冲击结构时材料的应力变形场及屈曲破坏；（3）分析复合材料结构的低能冲击作用下的变形限制。

首先，开展复合材料结构的压力分布研究，利用缓冲介质（如液体或空气）模拟冲击场，以及位置和重叠度，利用比较方法测定复合材料的位置。

进行冲击结构的应力变形场研究，建立屈曲损伤模型，对冲击场中的破坏和损伤进行模拟分析，分析复合材料结构组件的低能冲击作用下选择性损伤变形限制。

此外，为了改善定位方法，可以设计新型屈曲损伤模型，利用计算机模拟系统，模拟冲击过程，加以优化。

同时，可以建立结构损伤模型，计算损伤程度和损坏程度，以此来改善定位方法。

另外，针对低能量冲击定位方法，可以研究复合材料结构的低能量冲击与应变性能关系，探索低能量冲击结构的应变性能及应变控制策略。

综上所述，航空复合材料结构低能量冲击定位方法的研究结果对于对复合材料结构的设计与分析具有重要意义，能够帮助相关工作者
更好的去使用复合材料结构。

但是，由于航空复合材料结构低能量冲击定位研究相对较新，各种新技术及不同的材料结构研究的需求也会随着时间的推移而改变，因此今后的研究仍需要不断加强，以满足不断发展的实际应用需求。

复合材料层压板低速冲击损伤的有限元模拟

复合材料层压板低速冲击损伤的有限元模拟杨鹏;刘海涵【摘要】Based on the low velocity impact test, this thesis established a "ply -interface -ply" laminate finite element model to simulate composite laminates under low velocity impact. The con-rnstitutive relations of the composite ply were introduced through VUMAT subroutine method, the stress - based failure criteria of composite was used to determine damage effects, and stiffness reduction method was used to simulate the failure process. The cohesive element method was utilized to simulate the delamination behavior.%基于复合材料层压板的低速冲击试验,建立一套“铺层-界面-铺层”的复合材料层压板在低速冲击载荷作用下的有限元模型.通过VUMAT 子程序建立复合材料铺层的本构关系,采用应力描述的失效判据来判断层内的各种损伤,并结合相应的刚度折减方案对失效单元进行刚度折减.模型中在相邻两铺层间加入cohesive单元,用来模拟层间界面.【期刊名称】《机械与电子》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】3页(P78-80)【关键词】复合材料层压板;低速冲击;有限元【作者】杨鹏;刘海涵【作者单位】西北工业大学航天学院,陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】TB3320 引言复合材料层压板在使用中受到外来物体低速冲击后容易在内部产生严重的分层损伤，已有大量的国内外学者［1－6］对复合材料层压板损伤模式开展了研究，取得了不少的研究成果。

复合材料层合板低速冲击损伤模拟及凹坑深度预测

复合材料层合板低速冲击损伤模拟及凹坑深度预测
李尹松;王喆;柴亚南
【期刊名称】《工程与试验》
【年(卷),期】2022(62)3
【摘要】将准静态压痕力作用下的复合材料层合板凹坑深度-接触力公式用于低速冲击凹坑深度预测,进行了两种铺层的层合板低速冲击试验,建立了冲击有限元模型,选用应变表示的Hashin准则和界面元模拟层合板损伤失效。

利用损伤面积计算冲击后层合板的整体等效刚度,代入接触力公式预测凹坑深度-冲击能量曲线,发现最大损伤面积计算结果与试验值吻合较好,在铺层数较少的情况下,凹坑深度预测值与试验值具有较高的一致性。

【总页数】4页(P8-11)
【作者】李尹松;王喆;柴亚南
【作者单位】中国飞机强度研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TB302
【相关文献】
1.复合材料层合板低速冲击损伤的预测模型
2.层间增韧复合材料层合板低速冲击损伤预测
3.含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度预测
4.含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度预测
5.层合复合材料低速冲击损伤与凹坑数值模拟
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