纤维增强复合板抗冲击性的模拟分析

的较大 ， 因此从理论上讲薄板塑性应变能会增大 ， 中心位 置的
最大变形量有所减小 。
３ 有 限 元模 型 和 材 料
的动态模拟 ， 通过理论分析 和计算结果数据对 比， 分析了碳纤
维复合层 的作用 ， 出了加有碳纤 维增强 薄板具有一 定的抗 得 冲击性 能的提高。这 为探讨纤 维增 强复合材料板结构的抗 冲
关键词 纤 维增 强复合板
１ 引 言
冲击 有限元法
应力 变形量 性应变 能和 中心位 置的最 大变形量都 与板的刚度 有关 ， 随着 刚度的提高 ， 塑性 应变 能增大 ， 最大变形量减小 。本文采用 的 粘贴碳纤 维增强 复合材料层 薄板 ， 由于其整体 刚度 比纯薄板
本文主要利用 Ａ Ｓ Ｓ Ｌ Ｎ Ｙ ／ Ｓ—Ｄ Ｎ Ｙ Ａ有限 元分析 软件 对薄 板 在不同厚度及粘 贴碳纤维 增强复合 材料层情况 下 ， 进行 承 受 １６Ｏ （ 于标 准 规 定 的最大 冲击能 量 ） １０ Ｊ 基 冲击 载荷 作用
在假设 叮 ＝ １ Ｏ时 ， 塑性应 变能增 量 ｄ ： Ｅ为
ｄ ｒ （『ｄ 『 ｅ ） Ｖ Ｅ： 【 ｅ ＋【 ｄ ０ ｄ ０
（） １
Ｑ ３ ２５
乃 （】 ） （
Ｉ ２
／Ｐ Ｇａ ）
Байду номын сангаас
７０ ８０
１ｏ ６ｏ
２１ １
２０ ３
０２５ ． ８
０ ２８ ．
８ ． ２１
２ ． ６９
ｌｏ ５０
２５ ３
（） ２
［／００ ｓ ０９／ ］
Ａ Ｓ ＳＬ Ｎ Ｙ ／ Ｓ—Ｄ Ｎ Ｙ Ａ是 一 个 显 示 非
式 中 ｄ ， 径 向应变增 量 ； ￡ 一 一径 向坐标 ； ｅ一 环 向应变增 ｄ。 量 ；一环 向坐标 ； —— 薄板体积 。 ０ Ｖ
由 （ ） 和 （ ） 可 得 到 塑性 应 变 能 ： １式 ２式 。
动 能÷ ｍ 所以可以得到冲击中心的最大位移 Ｗ 关系 ｖ， 。
式 引：
而选用 Ｓ Ｒ ｕ ｈｓ ｉ ／ Ｈ ｇｅ —Ｌｕ计算法 。冲击锤为标准 规定形状 ，
选用 Ｓ ＬＤ ６ Ｏ Ｉ １４实体单 元 ， 设置 为 刚体 。碳 纤 维增 强 复合材 料选用 Ｓ Ｅ Ｌ ６ Ｈ Ｌ １３薄壳单 元。
ｍ２
。
ｍ ０
ｍ 。
４ ＋
ｍ一 ０ —１ ： 一“２ Ｕ 兰 ｍ０ ０
一
（） ４
因冲击作用是一个非线 性动 态过程 ， 故薄板 和碳纤 维增 强层的材料属性都采用 弹塑性材料属性 。
从 以上 （ ） ３ 式和 （ ） ４ 式可见 ， 薄板在 冲击 载荷作用下 的塑
线性 动力分析通用有限元程 序 ， 它具 有 强大的功能求 解各 种二 维 和三 维非 弹 力响应 问题。本 文所 用 的模型 直接 在 Ａ Ｓ Ｓ Ｌ — Ｄ Ｎ 建 立 ，薄 板 选 Ｎ Ｙ ／Ｓ Ｙ Ａ 元， 为避免在分析计算 中带 来沙漏模 态 … ． ．． … … ～ 一
Ｅ ｒ
２１ ０ ０年第 ３期
农 机 使 用 与 维 修
３ ｌ
纤 维增 强复 合 板 抗 冲 击 性 的模 拟 分 析
哈 尔 滨 哈 轻 塑 胶 有 限 公 司 徐 志 明 西 南交通 大 学材料科 学与 工程 学院
摘 要
董 立新
本文通过理 论分析和利用 Ａ Ｓ Ｓ Ｌ Ｎ Ｙ ／ Ｓ—Ｄ Ｎ Ｙ Ａ软件 对纤维增 强复合 板进行 了动 态冲击计 算 ， 到 了在 冲 得
表１ ＦＰ Ｏ Ｓ结构 材 料 和 碳 纤 维 复 合 层 材 料 参 数 密 ＤＳ 弹模 度Ｅ 性 量 Ｎ 剪 模 切量 （ ｍ ） （／Ｐ ｝ 比ｖ） （ ／ Ｅ Ｇ ） （ Ｇ ａ ， 屈 服 强 度
叮 ＝ 、（ 。 盯 ） （ ， 盯 ） （ 【 ） ， ＿ 盯 一 ， ／ ＋ 一 ＋ 盯 一丁 。
采用薄板 四周 固定 ， 碳纤 维复 合层 粘 接在 薄板 下 表面 。 为 了简化计算过程 ， 作如下假设 ： １ 薄板 和碳纤 维复合层 之 （） 间粘结 良好 ， 无相对滑动 ；２ 冲击锤与 薄板之 间撞击 的摩擦 （） 力可 以忽 略。
击性和合理设 计提供理 论依据 ， 同时也 为两种不 同材料的叠
式中
爆炸 ÷ ＋ Ｅｄ ］３ 性结 构的碰撞 、 和模压 等大变形 动 （ ＋ （） （ ） 叫 １ｗ ）
ｈ 一薄板 的厚度 ； 应力 应 变 曲线塑 性段 的 切线 模 Ｅ一
量 ；＂ １一硬化屈服应力 ；一垂 直薄板 的横 向位移。 ３ ｗ 按能量守恒原理 ， 薄板 的塑性应 变能应 等于落 物的初 始
盯， 表示 塑性 变 形 微 元 的 应 力 状 态 可 以 用 类 似 于 Ｍｉ ｓ屈 服 ｓ ｅ 准 则 的 应 力 强 度 表 示 ， ： 即
薄板 的材料选用 Ｑ ３ ， ２ ５ 碳纤维 增强 复合材料 为 ｏ ［ ／ ０ ０
９ ／ ， ０ ０ Ｓ厚度 为 ０ ９ ｍ。薄板的厚度分别 取 ３ ．ｍ ｍｍ和 ５ ｍｍ ， 材 料参数见 表 １ ：
加在冲击载荷下的动态分析提供参考 。
２ 薄 板 的 冲 击 动 态 响 应 理 论 分 析
设 定薄板周 边固定 ， 薄板 的冲击动态 响应根 据 Ｃ ｌ ｒ ａ ｅ 和 ｄ Ｇ ｌｓ ｉ ｏ ｍｔ ｄ ｈ的弹塑性 薄板 的能量理论 ， 在薄板 中心 位置进行 垂直 冲击 。薄板在 复杂 的应 力状态 下有 三个主应 力 盯 、 、
击载荷作 用下结构的应力和变形量等动态响应 ， 并进行 了分析 。同时采 用碳 纤维增强金属板 进一步研 究 了纤 维增 强复合板 的抗 冲击性 能， 通过在不 同板厚 冲击 下的应 力、 变形和塑性变形能的 变化分 析 ， 到碳纤维增 强金属板 能 得
增 大对 冲击 能 的吸 收 ， 小 变 形 程 度 ， 时也 减 小 了金 属 板 的 塑 性 变 形 和 应 力 水 平 。 减 同