碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟
基于Ls-Dyna软件2种材料模型的碳纤维复合材料层合板面内剪切有限元仿真
2020年12月第44卷第12期Vol.J4No.12Dec.202() MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERINGDOI：10.11973/jxgccl202012016基于Ls-Dyna软件2种材料模型的碳纤维复合材料层合板面内剪切有限元仿真孟宪明'，钟正S程从前2,曹铁山S赵杰2,黄亚烽-吴瑶2(1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300；2.大连理工大学材料科学与工程学院，大连116024)摘要：通过准静态单轴拉伸试验和面内剪切试验获取力学性能参数，采用Ls-Dyna软件中的纤维增强复合材料渐进损伤模型和复合材料层合板连续损伤模型模拟碳纤维复合材料层合板在面内剪切载荷作用下的力学响应和破坏模式，对比了2种模型的适用性。
结果表明：在面内剪切过程中的初始线弹性阶段,2种模型都能较好地模拟出碳纤维复合材料层合板的力学特性。
随着载荷的持续增大，渐进损伤模型的载荷-位移仿真曲线依旧呈线性上升，到达载荷峰值后迅速下降，与试验曲线存在很大偏差；连续损伤模型由于引入了损伤参数，当材料出现损伤后.其载荷-位移仿真曲线呈非线性，与试验曲线吻合良好。
关键词：碳纤维复合材料；连续损伤模型；渐进损伤模型；损伤参数中图分类号：TB332文献标志码：A文章编号：1000-3738(2020)12-0085-06Finite Element Simulation of In-plane Shear of Carbon Fiber ReinforcedPlastic Laminates with Two Material Models of LS-DYNA SoftwareMENG Xianming1.ZHONG Zheng2.CHENG Congqian2,CAO Tieshan2.ZHAO Jie2,HUANG Yafeng*,WU Yao2(1.China Automotive Technology&Research Center Co.,Ltd.,Tianjin300300,China；2.School of Materials Science and Engineering,Dalian University of Technology»Dalian116024,China)Abstract:The progressive failure model of fiber reinforced plastics and the continuous damage model of composite laminate of the Ls-Dyna software were applied to simulate the mechanical response and damage modes of carbon fiber reinforced plastic laminates under in-plane shear loads,with the mechanical parameters obtained by quasi-static uniaxial tensile and in-plane shear tests.The applicability of the two models was compared.The results show that in the initial linear elastic stage during in-plane shearing,the two models could simulate the mechanical characteristics of the carbon fiber r&nforced plastic laminates.As the load continued to increase,the loaddisplacement simulation curve obtained by the progressive failure model still rose linearly,and dropped rapidly after reaching the load peak；the simulation curve had a large deviation from the test curve.When the material was damaged,because of the introduction of damage parameters,the load-displacement simulation curve obtained by the continuous damage model was nonlinear,which was in good agreement with the test curve.Key words:carbon fiber reinforced plastic；continuous damage model；progressive failure model；damage parameter收稿日期：2020-08-05；修订日期：2020-11-27基金项目：国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项项目（2O16YFBO1O16O2）作者简介:孟宪明（1980—）,男，山东济南人，高级工程师•博士通信作者:赵杰教授0引言碳纤维复合材料（CFRP）作为一种比强度高、比刚度高、耐腐蚀性能较强的轻量化材料，广泛应用于汽车、航空航天、军工武器、高速动车等方面口切。
胶接碳纤维复合材料层合板拉伸性能及有限元模拟_张明星
胶接碳纤维复合材料层合板拉伸性能及有限元模拟张明星*（中国商飞上海飞机设计研究院，上海200232）摘要：使用自动铺带工艺制得胶接的碳纤维复合材料层压板试验件，通过轴向拉伸测试，测得了整个试验件的载荷-位移曲线和检测点附近的应变-载荷曲线。
试验结果表明，在拉伸载荷作用下试件发生层间剪切破坏，由于胶层的剪切强度高于层合板的层间剪切强度，破坏并没有发生在胶接面内，而是发生在胶层以外的层合板的层间。
建立了相应的有限元模型，模拟结果和试验结果的一致说明了有限元模型的合理性。
关键词：胶接；应变；破坏模式；有限元分析中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003－0999（2012）04－0036－05收稿日期：2012-04-22作者简介：张明星（1982-），男，博士，主要从事纤维增强复合材料研究。
1引言胶接连接因其工艺简单、成本低廉、具有能保持纤维连续性的特点而在飞机复合材料结构中被广泛应用［1 3］。
而胶接连接复合材料的历史文献大多集中在假设胶层发生剪切变形情况下的搭接区两端的应力分布［4 17］。
本文以刚度平衡的胶接连接碳纤维复合材料试验件为研究对象，对其进行了轴向拉伸测试，得出了搭接件上两端和中间区域的应力分布。
在考虑搭接件轴向变形情况下，建立了复合材料层压板胶接连接的有限元模型，并比较了有限元模拟结果和试验结果，模拟结果和试验结果的一致说明了有限元模型的合理性。
2试验#."材料本试验采用的材料为碳纤维单向带，其材料常数如表1所示。
表1碳纤维单向带材料常数Table 1Material performance of carbon tapeE 11/GPa E 22/GPa E 33/GPa υ12υ13υ23G 12/GPa G 13/GPa G 23/GPa 1758．378．370．340．340．344．494．493．5#.#试验件设计与制备试验件搭接区长度为200mm ，宽度为80mm ，厚度为3.8mm ；每端加厚区长度为195mm ，宽度为87.6mm ，端头厚度为11.4mm 。
碳纤维增强铝合金板的抗冲击性能
料 的优 化 提供合 理依 据 。
１ 模 型 相 关 参 数
１ ． １ 几何 模型 尺 寸及加 载情 况
为 了较好 地 同 实验 对 比 ， 试 件 几何 尺 寸 与文 献 Ｅ ５ ３ 相 同。Ｃ ＡＲ ＡＬ试件 由 ２ ０ ２ ４ 一 Ｔ ３铝 和碳 ／ 环 氧 树
脂 胶 片组成 。其 中碳 ／ 环 氧树脂 胶 片 （ Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ ） 铺 层 方 向为 ０ 。 和 ９ Ｏ 。 ， 且 沿 中面对 称 ， 如 图 １所示 。试 件 尺
因此 这些 优 良的性 能 ， Ｆ ＭＬ ｓ 在 航 天 工 程 上 得 到 了广 泛 的应 用 ［ ４ ］ 。碳 纤 维 增 强 铝合 金 板 （ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｒ ｅ ｉ ｎ —
ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ ａ ｌ ｕ ｍｉ ｎ ｕ ｍ ｌ ａ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｓ ， Ｃ ＡＲ ＡＬ ） 包 含碳／ 环 氧树脂 层 和铝 合金 层 ， 但 有 望 可 以成 为 下 一 代 的 Ｆ ＭＬ ｓ 。碳 纤 维 的高硬度 具有 非 常有效 的裂 纹桥 接 、 较低 的裂纹 扩展 率 和较好 的抗 冲击性 。 本 文 中针 对 Ｃ ＡＲ ＡＬ受 低速 冲击 问题 ， 利 用 ＡＢ ＡＱＵＳ ／ Ｅ ｘ ｐ ｌ ｉ ｃ ｉ ｔ 有 限元 分 析软 件 ， 建立 三 维动 态 冲 击模 型进 行数值 模 拟 。应 用 Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ — Ｃ ｏ ｏ ｋ模 型 ， Ｈａ ｓ ｈ ｉ ｎ损 伤 准 则 和 ｃ ｏ ｈ ｅ ｓ ｉ ｖ ｅ粘 结单 元 的损伤 判 据 参 与计算 。通过 与文 献Ｅ ５ ３ 中冲击载 荷 时间 曲线进 行对 比 ， 验 证数 值模 拟 的准确 性 ， 并 对 复合 材 料层 的基 体 损伤 ， 分 层 的产生 和扩 展 以及试 件 吸能等情 况 进行分 析 ， 为准 确评 价此 新型 复合材 料 的冲击行 为及 材
基于ABAQUS的CCF300碳纤维层合板低速冲击破坏数值模拟
第３ ５卷 第 ４期 ２ ０ １ ７年 ８月
轻 工 机械
Ｌｉ ｇ ｈｔＩ ｎｄｕ ｓ ｔ ｒ ｙ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ
Ｖ０ １ ． ３ ５ Ｎｏ ． ４
Ａｕ ｇ ． ２ ０１ ７
［ 研究 ・ 设计］
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５ － ２ ８ ９ ５ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ４ ． Ｏ Ｏ ６
材 料层 合板 为对象， 利用专业有限元仿 真软 件 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ进行 冲击破 坏性能数值模拟研 究。采 用复合材料渐进损 伤法 ， 建
立Ｃ Ｃ Ｆ ３ ０ ０碳 纤维层合板在低速 冲击载荷 下的损 伤和 变形三维有 限元模 型。通过 三维 实体单元模 拟层 合板 ， 利 用 内聚 力接 触模拟 单层板 间的接触 ， 从 而模拟层合板层 内和层 间的不 同失效模式 。使 用 Ｆ Ｏ Ｒ Ｔ Ｒ Ａ Ｎ语 言编写 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ材 料 用 户子程序 Ｖ Ｕ ＭＡ Ｔ实现模拟 ， 程序 中包含本 构方程 的求解、 损 伤 准则对单元 失效 的判定和 损伤 单元参数 退化 ３部分 ， 材
ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ， ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｔ ｏ ｏ ｋ ｔ ｈ ｅ ｄ ｏ ｍ ｅ ｓ ｔ ｉ ｃ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ（ Ｃ Ｃ Ｆ ３ ０ ０ ）／ｅ ｐ ｏ ｘ ｙ ｒ ｅ ｓ ｉ ｎ（ ５ ２ ２ ８ ）ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｌ ａ ｍ ｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｓ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ
基于ABAQUS碳纤维树脂基复合材料抗冲击性能研究
科技风2019年1月DOI：10.19392/ki.1671-7341.2019021674理论研究___________________________基于ABAQUS碳纤维树脂基复合材料抗冲击性能研究陈鑫马士东刘升辉中国民航大学航空工程学院天津300300摘要：随着复合材料的工艺越来越成熟，其良好的物理性能，如比强度高、比刚度高、比模量高、耐腐蚀性好、结构重量轻等 优良性能，得到了航空领域的一致认可。
但复合材料的抗冲击性能比较差，当其受到外来物冲击时可能造成严重的损伤，因此使 研究成为了必要。
本文对有限元软件ABAQUS做了简要说明，并用其对碳纤维树脂基复合材料层合板的冲击进行建模模拟，对冲 击后层合板失效性能做了简要分析。
关键词:碳纤维树脂基;复合材料；冲击;ABAQUS建模；失效分析复合材料是一种非均匀的混合物，具有多种分类。
其中纤 维复合材料由于比重小，比强度和比模量大，而用量最大，应用 最广。
最常见的形式之一是交错粘合的层合板，层合板是由一 层层的纤维平行铺设后，再注入未固化的环氧树脂或其他基体 材料，其中基体在纤维问起传递载荷的作用，使纤维能够承受 压缩和剪切裁荷。
[1]1ABAQUS简介ABA_U5公司根据用户的反馈不断解决各种技术难题并 改进软件，如今，ABAQUS软件已经逐步完善，从简单的线弹性 静态问题到复杂的高度非线性问题，从单个零件的力学分析到 多个庞大复杂系统的多物理场耦合分析，ABAQUS都能驾驭。
具体而言，ABAQUS除了能有效的进行静态和准静态分析、模 态分析、瞬态分析、接触分析、弹塑性分析、几何非线性分析、碰 撞和冲击分析、爆炸分析、屈曲分析、断裂分析、疲劳和耐久性 分析等结构分析和热分析外，还能进行流固耦合分析、热固耦 合分析、声场和声固耦合分析、压电和热固耦合分析、质量扩散 分析等。
⑵2动态接触理论模型下面介绍两种接触理论模型，第一种由He:提出，该算法 一般将冲击物看作刚体，不受外力冲击而变形，将受冲击板作 为形变体，假设脉冲时间和压力峰值受冲击物的速度、质量和 材料弹性性能的影响。
基于扩展有限元的碳纤维复合材料裂纹扩展仿真
基于扩展有限元的碳纤维复合材料裂纹扩展仿真韩少燕 门 静 韩海燕（西安交通大学城市学院，陕西 西安 710018）引言 碳纤维复合材料以其良好的力学性能被广泛的应用于汽车、航空航天等领域[1]。
碳纤维层合板在实际使用过程中容易受到冲击载荷产生大变形弯曲，导致局部产生应力集中与应变从而引起材料损伤，例如基体开裂、纤维断裂后或者层间分层等，材料损伤扩展会进一步导致力学性能降低，从而导致材料失效最终结构失效。
扩展有限元通过引入富集函数来修正传统有限元的近似位移函数，以描述间断界面，使间断的描述独立于有限元网格，避免了计算过程中的网格重构[2]。
本文采用扩展有限元法模拟了碳纤维复合材料层合板在弯曲载荷作用下的开裂过程，以预测材料抵抗外力损伤的性能。
1、扩展有限元 扩展有限元是以美国西北大学Belytschko 教授为首的研究组于1999年提出的一种求解不连续问题的数值方法，该方法可有效的求解强和弱不连续问题[2-3]。
扩展有限元的基本原理是基于单位分解法在传统有限元位移模式中加入特殊函数（加强函数），从而反应不连续性的存在，不同类型的不连续问题，只是加强函数不同而已。
1.1单位分解法单位分解法是Melenk 和Bubska 及Duarte 和Oden 于1996年先后提出的。
对于求解区域Ω，单位分解法用一些相互交叉的子域ΩI 来覆盖，每个子域都与一个函数()I ϕx 相联系。
函数()I ϕx 仅在ΩI 内非零，且满足单位分解条件()1I Iϕ=∑x (1)Duarte 和Oden 用K 阶移动最小二乘近似函数来构造单位分解，即1()()[()]mh k I iI i Ii b q ϕ==+∑∑ u x x u x (2) 其中：()i q x 可以是单项式基。
系数是未知量，可以通过Galerkin 法或配点法求解。
为了提高逼近精度，或满足对待定问题的特殊逼近要求，也可以包含其他一些形式的函数（称之为加强基函数）。
碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟
碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟
## 背景
碳纤维层合板(CFRP)具有良好的抗碰撞性能，是近年来用于汽车安全带以及航空航天结构的重要材料。
它具有轻质、坚固、耐腐蚀等优点，因此在传统汽车安全带驱动方面受到了广泛的应用，从而改善了汽车的安全性能。
此外，在航空航天结构领域，由于其轻量、耐压性能好等优点，因此也受到了很多关注。
碳纤维层合板也常用于与结构强度有关的冲击吸能研究中。
## 方法
本研究采用有限元技术，对单层CFRP板在冲击力下的吸能特性进行模拟，主要考察碳纤维夹层结构、碳纤维层合板厚度及吸能模态算法等因素对吸能性能的影响。
首先，用有限元软件ANSYS设计单层CFRP板的模型，以及尺寸、材料的指定，建立多问题，采用ANSYS有限元分析应对吸能性能研究中的三种典型模态—消能、缓冲及滞回模态。
## 结论
研究表明，单层CFRP板厚度及层合结构对吸能性能有显著影响，板厚越厚，吸能行为越显著。
碳纤维夹层结构也能明显提高吸能性能。
此外，研究还发现，随
着夹层层数的增加，板材对冲击力的吸能性能也会不断提升，直至达到极限。
最后，混合模态的冲击吸能行为在碳纤维层合板中也被发现，混合模态吸能行为在碳纤维夹层结构中有更好的表现。
斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析
网络首发地址：https:///urlid/42.1755.TJ.20230925.1637.001期刊网址：引用格式：和卫平, 刘明, 魏建辉, 等. 斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(5):166–172.HE W P, LIU M, WEI J H, et al. Analysis on compression behavior of woven carbon fiber reinforced thick composite laminates under low velocity impact[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(5): 166–172.斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析扫码阅读全文和卫平1，刘明1，魏建辉*1，康逢辉2，葛辛辛3,4，张攀*41 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 4302052 洛阳船舶材料研究所，河南 洛阳 4710233 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 2140824 华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074摘 要:［目的］为分析冲击损伤对层合板压缩强度和失效行为的影响，对冲击后的编织碳纤维复合材料层合厚板开展面内压缩试验和数值仿真研究。
［方法］通过建立有限元模型，开展层合板冲击后的压缩仿真分析，采用Fortran 语言编写用户自定义材料子程序（VUMAT ），实现改进的Hashin 失效准则和基于损伤变量的材料退化模型在ABAQUS/Explict 中的应用；从压缩强度和压缩破坏模式两方面将数值模拟与试验结果进行对比，验证所建立数值模型的有效性。
［结果］结果显示，冲击损伤会降低层合板的压缩强度，无损层合板的压缩失效模式为端部破坏，冲击后的层合板会出现横贯试件中部的截断式破坏；冲击后的压缩强度会随冲击能量的增大而降低，但压缩强度与冲击能量之间并不存在线性关系；层合板损伤行为的拓展与压缩载荷的历程密切相关，压缩载荷在达到层合板破坏载荷的阈值之前，层合板的损伤几乎没有发生拓展，一旦压缩载荷达到阈值，损伤将沿宽度方向迅速拓展，最终发生横贯整个模型宽度方向的压缩损伤。
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碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟
作者：朱亦钢王晋张子龙
来源：《计算机辅助工程》2013年第02期
摘要：为预测复合材料结构的冲击吸能效果，用三维有限元法模拟金属圆柱体冲击碳纤维层合板的过程.层合板被简化为三维正交各向异性材料板；采用Abaqus提供的vumat等扩展编程接口，用FORTRAN编写程序表征材料的弹性、强度和累积失效，实现动态破坏过程仿真；计算结果与冲击试验结果具有可比性.Abaqus的显式分析方法结合编程接口可用于层合板的冲击吸能仿真，结果的准确性取决于用户建立的材料模型.对不同速度、质量和直径的金属圆柱
体的冲击进行计算，结果表明在穿透情况下，随着圆柱体速度的增加，圆柱体的动能衰减增多，而系统动能的减少相对稳定，因此后者更适合于临界速度的计算.
关键词：复合材料；冲击；侵蚀；吸能；仿真模拟；有限元
中图分类号： V258.3； TB115.1文献标志码： B
作者简介：朱亦钢（1960—），男，山东邹平人，高级工程师，硕士，研究方向为复合
材料力学性能分析与仿真，（Email）zygso@0引言
连续纤维增强的复合材料由于强度高、重量轻而越来越多地应用在航空航天飞行器结构上，新结构设计时需评估飞行壳体和结构对外部或自身失效碎块撞击的抵御能力.物体的冲击
破坏是在短时间内发生的动态过程，受到制件和冲击物的材质、形状以及撞击速度等因素影响，实物试验难以模拟各种情况.
近年来，随着计算机模拟技术的发展，通过数值仿真方法可以计算出各种预设条件下的冲击过程和效果，从而大量减少实物试验.复合材料结构的冲击分析除考虑一般侵蚀过程所面临
的各种影响因素外，还包括材料基体和增强体的不同性能、铺层的各向异性以及损伤失效方式的变化和作用等.
虽然Abaqus具有较强的非线性力学计算能力[12]，但是对于冲击侵蚀等三维复杂问题，6.9版本的Abaqus/CAE前处理界面中也未提供直接建立模型的完整方法.计算时对材料模型采用平台提供的FORTRAN编程接口技术，冲击接触过程则需要编辑输入文件.。