碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟
开孔碳纤维复合材料层合板的拉伸失效有限元分析
ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
收稿日期: ２０２１ － ０６ － ０５
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( Ｎ２１２３０２８) ꎻ 河北省自然科学基金青年基金资助项目( Ｅ２０２１５０１０１１) .
行为. 通过对三种单元模型进行模拟ꎬ结果表明:开孔造成的应力集中会使层合板在拉伸过程中纤维与基体更
易失效ꎬ成为裂纹源ꎻ在层合板失效过程中ꎬ都呈现“ Ｘ 形” 向“ 沙漏形” 失效发展趋势ꎬ最终沿宽度方向断裂ꎻ
实体模型模拟精度相比于传统壳单元、连续壳单元的偏高更接近实验数值ꎬ三种单元模拟极限失效载荷与实
ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｕｅ. Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ ｆａｉｌｕｒｅ ｌｏａｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｄｉｆｆｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ
ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ ｄａｔａ ｂｙ ２６ １％ꎬ ３１ １％ꎬ ａｎｄ ８ ６４％ꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.
提出了
响应. 综上ꎬ可以看出 Ｈａｓｈｉｎ 准则对于复合材料
参数化三维逐渐损伤模型ꎬ采用三维 Ｈａｓｈｉｎ 准则
的模拟效果较好ꎬ但目前学者利用 Ｈａｓｈｉｎ 准则进
载荷作用下的分层扩展行为. 王丹勇等
和直接折减退化材料属性来模拟含中心圆孔层合
板准静态拉伸失效. 吴悦雷
[５]
采用三维 Ｈａｓｈｉｎ 失
限承载能力. 但其应用的失效准则形式更接近于
三维情况下的 Ｃｈａｎｇ － Ｃｈａｎｇ 失效准则ꎬ且最后
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。
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。
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朱亦钢;王晋;张子龙【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.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2013(022)002【总页数】6页(P1-6)【关键词】复合材料;冲击;侵蚀;吸能;仿真模拟;有限元【作者】朱亦钢;王晋;张子龙【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【正文语种】中文【中图分类】V258.3;TB115.10 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［1-2］，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.1 层合板的低速冲击侵蚀本文研究所用的材料是由T300/3266按0°/60°/－60°等角度进行平面编织的织物并经多层叠放加压、液体方法(RTM)成型的复合材料层合板，试件外形尺寸100 mm×100 mm×10 mm，被金属圆柱体冲击破坏后的情况见图1.冲击物为直径15 mm，高度22.4 mm的钛合金圆柱体，钛合金相对密度为4.5，试验时层合板四边固定在支座上，圆柱体以超过穿透所需的速度垂直冲向层合板，形成如图1所示的破坏形貌.由于条件限制，无法准确得到冲击后圆柱体的速度.采用多试样法经过数个不同速度试样的冲击后，最终测得临界速度 V50为 175 ～195 m/s［3］，当超过临界速度时，圆柱体可以穿透层合板;当小于该速度时，圆柱体被阻挡回弹或嵌入层合板中.层合板在冲击过程中的破坏，先期主要为正面材料的剪切破坏，见图1(a);后期转为背面材料的拉伸断裂，见图1(b).层合板在受到冲击力作用时，材料内部的损伤模式一般归为纤维断裂，基体和层间的开裂、挤裂等.文献中的破坏准则有很多，包括各种不同形式的应力应变破坏准则和断裂力学准则，但目前为止还没有形成统一的认识.［4］2 计算仿真过程本文编织材料的性能未采用单向纤维的细观模拟，而是从解决工程问题角度直接应用编织材料静力学试样的试验数据作为基础材料数据进行计算.Abaqus的力学求解分为隐式和显式两种，对于快速冲击的模拟，适于采用动态的显式求解.图2 层合板与冲击物的模型Fig.2 Model of laminated plate and impact object首先，在模型工具中建立几何体，实体大小为100 mm×100 mm ×10 mm，包括圆柱体结构的模型(见图2).为控制网格划分，应用分区工具partition将几何体分成指定层数的片层，以适应定义不同铺层方向的情况.有限元网格采用三维八节点六面体单元，可选择完全积分C3D8或减缩积分C3D8R.计算表明减缩积分的影响不大，此处采用减缩积分的单元.图3 纤维增强材料模型的方向Fig.3 Direction of fiber-reinforced material model然后建立确定材料方向的局部参考坐标系，纤维增强材料模型的方向见图3.在参考坐标系上定义1方向为编织的经线零度纤维方向;2方向在铺层的面内，与1方向垂直;3方向为厚度方向.Abaqus/CAE中定义层合板材料时，在材料编辑界面材料属性区的general中给定材料密度，再选择 User Material，Depvar以及 User Defined Field，3 个选项分别对应于用户程序vumat的应力计算、积分点的材料状态变量以及获取材料信息的vusdfld程序.由于在vumat中给出的应变是分析步的增量值，当采用应变确定材料损伤时，需通过vusdfld调用接口函数vgetvrm获取总应变量.材料损伤演化过程的简化模型见图4.图中，OA为损伤前载荷增加时的弹性变形阶段;载荷加到A点时达到破坏临界点，继续变形产生损伤破坏;AC段为损伤发展阶段，材料损伤D引起刚度K下降，表现在AC上B点位置的卸载，应力、应变沿OB方向变化，部分纤维的损伤导致模量下降;C点代表材料损伤发展到已完全失效，不能继续承受任何载荷，此时可以选择单元移除.碳纤维层合板在损伤前常表现出较好的线弹性，碳纤维层合板的力学性能参数见表1，表中数值多来源于文献［5］，表中下标t和c分别代表拉伸和压缩;f指增强纤维.图4 材料损伤简化模型Fig.4 Simplified model of material damage表1 碳纤维层合板的力学性能参数Tab.1 Mechanical property parameters of carbon fiber laminated plate?将表1中工程弹性常数变换为张量形式的刚度矩阵，建立层合板的弹性应力-应变关系对于正交材料，刚度矩阵系数与工程常数有以下关系式中:显式计算程序中的剪切模量Gij是张量参数，为工程剪切模量的2倍，与隐式计算刚度矩阵的定义不同.表征复合材料在冲击过程中的4种损伤失效方式分别为:纤维受拉伸时断裂;纤维在压载荷下屈曲和弯折;在横向拉力和剪力作用下的基体开裂;在横向压力和剪力作用下的基体挤裂.损伤起始判据［2，5］可写为表示纤维断裂:表示基体开裂，面内横向拉断:表示基体挤裂，面内横向受压:对于三维问题，可以采用层间剪切和单向材料的横向数据近似代表3个方向上的层间剪切、基体开裂和挤裂，性能数据见表1.材料数据的输入途径有两种，一种定义在交互界面的材料属性中，计算时由软件将其传递到用户程序的prop数组;另一种可以采用parameter语句直接写在用户程序中.用户子程序vumat是针对显式计算 Abaqus/Explicit的材料模型程序，相当于Abaqus/Standard的umat，程序定义形式为:subroutine vumat(nblock，ndir，nshr，nstatev，nfieldv，nprops，lanneal，stepTime，totalTime，dt，cmname，coordMp，charLength，props，density，strainInc，relSpinInc，tempOld，stretchOld， defgradOld，fieldOld， stressOld， stateOld，enerInternOld， enerInelasOld，tempNew， stretchNew，defgradNew，fieldNew，stressNew，stateNew，enerInternNew，enerInelasNew)通过vumat，用户可以定义计算中的材料本构关系，包括损伤失效过程中的性能退化等.方法是根据当前分析步中的真实应变增量，确定材料点的应力，即式中:Dt为材料点的瞬时模量;σt为时间t的应力，对应变量stressOld;Δε为时间增量Δt过后应变的增量，对应变量strainInc;σt+Δt为时间增量Δt过后新的应力，对应变量Stress New.可定义项 enerInelasNew，enerInternNew 和stateNew分别为材料积分点的非弹性耗散能、内能和状态.内能和弹性耗散能可用于分析计算，但不会影响力学计算结果;其他数据项均为只读，是计算中使用的条件状态，具体可参考软件用户子程序部分的帮助文件.strainInc是分析步中的应变增量，通过它可以确定应力增量，从而确定当前应力.但如果计算需要总应变而不只是应变增量，如材料为非线性或发生损伤后的情况在vumat的变量表中没有显示，这时可通过变量查询的应用程序接口vgetvrm获取计算参数，调用形式如下call vgetvrm(‘VAR’，rData，jData，cData，jStatus)变量关键字VAR代表所指定的变量，如代表真应变的关键字是‘LE’;后面几项是具体的数值输出数组，分别用于实型、整形、逻辑标示字符和返回状态等.该函数的调用应在vusdfld子程序中完成，在vusdfld中通过vgetvrm得到的应变数据可用于确定状态变量stateNew.创建分析步时，对话框中选择动态显式分析类型“Dynamic，Explicit”;定义输出变量时，若不希望显示失效单元则选中STATUS.前处理软件Abaqus/CAE定义的接触面只能是物体外表面，外表面接触在冲击开始后材料未发生完全破坏前的计算正确.一旦接触力导致接触点附近的材料完全失效，单元不能继续承载，使得计算中定义的接触表面随之破坏，继续前进的圆柱体前方不再有接触约束.为此，需要定义包括内部单元表面的接触，当表面单元失效时，内部单元成为新的接触面，与圆柱体产生约束作用.但这种定义在当前版本的Abaqus/CAE对话界面中还不能实现，Abaqus/CAE界面中的关键词编辑器也不支持，必须在inp文件中直接定义包括内部单元的接触面.本文在Abaqus/CAE中定义板的单元集合ElemSet，然后在任务模块中先生成inp文件，再修改生成的inp文件，定义包括所有外表面和内表面的接触面surf.接触面的定义形式如下:*Surface，type=ELEMENT，name=Surf，ElemSet，interior其中:ElemSet为之前定义的单元集合名;interior指定这个集合单元中的内表面;Surf为定义的所有接触面集合的名称，关键词下的第一行数据为空，表示包括所有外表面.之后在inp文件的接触定义中将Surf设为接触面，接触定义形式如下:＊＊Interaction:Int-1*Contact，op=NEW*Contact InclusionsSurf*Contact property assignment，，IntProp-1与试验时的情况对应，边界条件采用四边固定的约束.对于动态的显式求解，没有约束时计算也能收敛，表示层合板可以自由移动，计算的结果会有所不同.在载荷模块的预定义场中确定冲击物体的初始速度，因冲击物设置成刚体，故可以将初始速度定义在刚体参考点上;对于弹性的圆柱体则定义所有圆柱体单元的速度. 定义任务和提交计算.此处提交的是经过编辑的inp文件，且在任务编辑界面中给出用户子程序的路径.3 计算结果与讨论钛合金圆柱体冲击复合材料层合板仿真结果见图5，图中失效的单元已被删除.冲击侵蚀的渐进过程见图6，可见冲击初期材料的破坏以剪切为主，之后是背面材料拉断的破坏形式，与通常的观察和分析一致.［5-6］图5 钛合金圆柱体冲击复合材料层合板仿真结果Fig.5 Simulation result of titanium alloy cylinder impact on composite material laminated plate在临界速度下，圆柱体的最终速率会逐渐下降到0或发生回弹，用显式方法直接模拟该速度下的冲击过程不易确定临界值，但可以计算略高于临界速度的冲击.由冲击穿透的剩余速度通过能量方法计算得到等效的临界速度式中:v50，v0和vf分别为运动圆柱体穿透的临界速度、接触之前的初速度和穿过之后的终速度.当圆柱体以200 m/s初始速度冲击层合板时，最终剩余速度为75 m/s，由吸收的动能可换算出相应的临界速度v50为185 m/s.由于试验的个体差异，空气炮冲击试验结果为177～195 m/s［3］，计算结果与试验结果相当.系统动能曲线见图7.图7 系统动能曲线Fig.7 Kinetic energy curve of system应用上述程序和方法，计算不同速度、质量和直径的圆柱体的冲击，冲击计算结果见表2.表2 冲击计算结果Tab.2 Calculation results of impact圆柱体尺寸/mm初速度V0/(m/s)终速度Vf/(m/s)临界速度V50/(m/s)总动能E0/J冲后动能Et/J动能损耗ΔE/J临界速度V50E/(m/s)Φ15 ×22.4 400 313.3 248.7 1 408.8 1 048.0 360.8 202.4 Φ15 ×22.4 350 266.8 226.5 1 078.6 767.0 311.6 188.1 Φ15×22.4 300 208.3 215.9 792.0 491.0 301.0 184.9 Φ15 ×22.4 250 140.9 206.5 550.0 230.0 320.0 190.7 Φ15 ×22.4 200 75.6 185.2 352.0 76.0 276.0 177.1 Φ15 ×22.4 150 －11.7 198.0 2.8 195.2 Φ15 ×11.2 300 126.5 272.0 396.2 131.8 264.4 245.1 Φ15 ×5.6 300 －33.1 199.8 12.6 187.2 Φ7.5 ×22.4 300 171.1 246.4 198.1 92.4 105.7 219.1在较高的速度下，圆柱体的初始动能较大，穿过层合板后，能量的衰减也相对较多.因此，用式(7)进行临界速度验证计算时，选择的V0应接近V50.但从计算出的系统动能看，层合板的损伤吸能为相对稳定的量，Ef与Vf的能量差异为部分动能传到层合板和层合板的碎块上.用整个系统的能量变化计算临界速度式中:E0和Ef分别表示冲击前、后的动能.表2前5行数据中，由系统能量得出的v50E平均值为188.6 m/s.表2中，当冲击能量较低时，冲击物未穿透被弹回，因此最终速度为负值.在相同速度下，冲击圆柱体长度缩短、质量减小时，穿透所需的速度增加.圆柱体的直径减小到7.5 mm，质量也随之减小时，穿透所需的速度虽然也增加，但与相同动能的圆柱体Φ15 mm×5.6 mm相比，在层合板上的损耗较小，v50增加量也相对较小.Abaqus针对复合材料提供唯一的材料失效模型是Hashin方法，该模型只适用于厚度方向没有变化的壳单元，不能用于三维实体.尽管后期版本的Abaqus/CAE为复合材料铺层提供较好的正交材料层合功能，但合成后的材料同样也不支持三维单元的显式求解，需要使用软件提供的FORTRAN接口vumat，由用户子程序定义材料，再在每层单元中设定材料各自的铺层方向.本文的层合板由三轴角度0/60°/－60°的二维编织物在同一方向铺放层压而成，每层之间没有铺层方向的变化，可将层合板整体简化为正交各向异性材料.在此基础上，厚度方向的单元网格划分可越过层间边界，不受层数限制.对于不同方向铺层的单向材料，本文的计算过程依然适用，只是单元网格划分要顾及每层边界，并对每层材料定义各自的材料取向，铺层方向的一次改变至少对应一层网格，单元层数的增加需要较多的计算机资源.在大型有限元分析中，计算成本对网格细分的制约不可避免.对于显式求解，网格细分不仅使单元数量增多，导致计算时间和内存消耗增加，还使稳定时间增量减小，分析相同时间段所需的计算次数增加.稳定时间Δt与最小单元尺度Lmin和波速Cd的关系为显然，层合材料在厚度方向上的小尺度细分将导致运算成本的大幅提高.分析软件的前处理界面未对冲击侵蚀提供完整的处理功能，Abaqus/CAE的选项还不能完成所有前处理工作.复合材料需通过用户程序接口定义材料模型，过程较繁琐.本文模拟计算的方法过程所采用的部分数据是资料中同类材料的典型值，材料数据的准确性必然影响到计算结果的准确性.纤维剪切性能，材料强度及强度理论，损伤后模型，温度及速率等因素都会影响计算的准确性，需深入研究.4 结束语研究用Abaqus模拟非各向同性的编织层压厚板冲击侵蚀三维有限元方法，通过用户程序编写材料模型，分析冲击破坏过程.结果表明:用Abaqus可以对冲击侵蚀问题进行数值仿真，计算结果与试验具有可比性.但当前版本软件的交互界面尚不能完成侵蚀问题的分析，需要进行inp输入文件的编辑操作.模拟复合材料冲击侵蚀，需要一定的扩展编程;同时，准确的仿真求解还需要材料数据表征精准以及模型的深入研究.对不同冲击速度的计算结果显示，同为穿透的情况下，随着速度的增加，冲击物体的动能衰减会增多.整个系统动能的衰减量相对比较稳定，更适于计算临界速度;不同质量和直径的模拟计算结果的趋势符合预期.参考文献:【相关文献】［1］石亦平，周玉蓉.Abaqus有限元分析实例详解［M］.北京:机械工业出版社，2006:2.［2］庄茁，由小川，廖剑辉，等.基于Abaqus的有限元分析和应用［M］.北京:清华大学出版社，2009:8.［3］王晋，纪双英，朱亦钢，等.两维三轴编织结构复合材料的弹道冲击性能研究［J］.新材料产业，2011(5):59-62.WANG Jin，JI Shuangying，ZHU Yigang，et al.Study on ballistic curve impact performance of 2D triaxial knit structure composite material［J］.Adv Mat Industry，2011(5):59-62.［4］李树虎，陈以蔚，彭刚，等.树脂基复合材料抗弹性能数值模拟［J］.材料工程，2009(S2):113-118.LI Shuhu，CHEN Yiwei，PENG Gang，et al.Numerical simulation for ballistic performance of resin matrix composites［J］.J Mat Eng，2009(S2):113-118.［5］ROBERTS G D，GOLDBERG R K，BINIENDA W K，et al.Characterization of triaxial braided composite material properties for impact simulation［R］.Cleveland，Ohio:NASA，2009.［6］王晓强，朱锡，梅志远.纤维增强复合材料抗侵彻研究综述［J］.玻璃钢/复合材料，2008(5):47-56.WANG Xiaoqiang，ZHU Xi，MEI Zhiyuan.The development of fiber-reinforced composites under ballistic impact［J］.Fiber Reinforced Plast Composites，2008(5):47-56.。
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。
纤维复合材料－钢组合柱侧向冲击试验和有限元仿真分析
高了钢管的耐久性能，在同样荷载条件下，可以减小
钢管壁厚，降低用钢量，减轻结构质量。 本课题组已
将 ＦＲＰ － 钢组合柱运用到两个实际工程上，分别是
上海和太原立交桥墩柱，但 ＦＲＰ － 钢组合柱在侧向
冲击下的性能研究还未见报道。
本文通过对一端固定一端自由的 ＧＦＲＰ 约束钢
管组合柱进行侧向冲击试验并且利用 ＡＢＡＱＵＳ ／ Ｅｘ⁃
也被应用于新结构的建设，如全 ＦＲＰ 桥、ＦＲＰ 桥面
板、ＦＲＰ 板桩、组合结构、防撞结构等
［３ － ６］
。 上海外
环线浦东段 ＦＲＰ 防撞护栏，由挤拉 ＦＲＰ 立杆与 ＦＲＰ
Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ２０１７ （２） ， Ｖｏｌ ３２， Ｎｏ ２１８
包裹钢管混凝土柱（ ＣＦＳＴ） 试件的三点弯冲击试验，
能的影响。
冲击高 度 可 达 ２０ ｍ， 最 大 冲 击 速 度 可 达 ２０ ｍ ／ ｓ
２ 试验研究
质量，每个砝码的质量为 ５０ ｋｇ，砝码数量为 １６ 个，
（１０８ ｋｍ ／ ｈ） ，可通过增加砝码的个数来调节落锤的
２ １ 试验设计
共进行了 ６ 根构件的制作及试验，其中 ３ 根为
ＧＦＲＰ 约束钢 管 试 件， 其 余 ３ 根 为 钢 管 对 比 试 件。
柱 在 侧 向 冲 击 作 用 下 的 响 应 进 行 有 限 元 模 拟。
表 ３ 冲击试验结果
试件
Ｓ － １ ３试件降低了 ２１ ６５％ ，冲击点最大位移降低
冲击点
ｋＮ
最大位移 ／ ｍｍ
３７ ６３
４８ ２２
３２ １５
３３ ４８
３５ ８０
３１ ２９
６２ ９４
２９ ７２
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。
针对碳纤维层合板在不同工艺、冲击能量下的冲击响应研究
针对碳纤维层合板在不同工艺、冲击能量下的冲击响应研究随着轻量化的发展，碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通、能源、体育休闲等领域。
碳纤维复合材料层合板具有轻质、高刚度、优异的抗冲击性等特点，被广泛应用于汽车、高铁和飞机的非承力结构、次承力结构。
针对非承力覆盖结构的冲击问题，挪恩的研发团队进行了一项在不同工艺碳纤维复合材料层合板与不同冲击能量下的冲击响应研究。
通过模拟碳纤维复合材料汽车覆盖件中的冲击，采用落锤冲击试验装置对用同是10层铺层，但采用400kpa、600kpa热压罐工艺以及真空袋工艺的碳纤维复合材料层合板试件，以不同能量（5J、10J、20J、40J）进行低速落锤冲击实验。
1、初始能量5J下不同工艺碳纤维层合板冲击响应冲头的最大接触冲击力400kpa热压罐工艺>600kpa热压罐工艺>真空袋工艺；最大冲击位移、冲击接触时间的规律与之相反；冲击阶段速率的下降规律为400kpa 热压罐工艺>600kpa热压罐工艺>真空袋工艺；冲击阶段冲头能量提高速率为400kpa热压罐工艺>600kpa热压罐工艺>真空袋工艺。
出现这个现象的原因是真空袋工艺制备的碳纤维复合材料层合板压力较小，仅为一个负压，这会使得预浸料的铺层间结合不紧密产生缺陷，且树脂含量较高，表现出较好的冲击韧性；而600kpa热压罐工艺制备层合板由于压力过大树脂被过多挤出，导致碳纤维复合材料层合板的刚性上升，在冲击过程中通过纤维断裂吸收部分冲击能量；热压罐工艺400kpa制备层合板的树脂与纤维体积含量处于较好范围，碳纤维复合材料板材缺陷比真空袋工艺层合板的低，材料刚性比600kpa 热压罐工艺层合板低。
故热压罐工艺400kpa制备层合板的冲击响应与600kpa热压罐工艺层合板以及真空袋工艺层合板的不同。
2、初始能量10J下不同工艺碳纤维层合板冲击响应冲头的最大接触冲击力400kpa热压罐工艺>600kpa热压罐工艺>真空袋工艺；最大冲击位移、冲击接触时间与之相反；冲击阶段速率的下降速率为400kpa热压罐工艺>600kpa热压罐工艺>真空袋工艺；冲击阶段冲能量提高速率为400kpa热压罐工艺>600kpa热压罐工艺>真空袋工艺。
多层碳纤维布复合材料超声检测的有限元模拟
多层碳纤维布复合材料超声检测的有限元模拟李伟;李建增;周海林;李德良【摘要】In combination of the nondestructive testing requirements of aircraft composite structures, the process of multi-layers carbon fiber composite specimen is introduced. And the basic principles and characteristic of ultrasonic reflection method are stated. Finally the finite element method is used to simulate the ultrasonic testing. By simulation results and experiment waveforms are compared, the result can see that finite element analysis method is an effective means to ultrasonic testing on composite materials, and it also can predict experiment of results and assessment in a certain extent. Meanwhile, experiment result shows that ultrasonic inspection in multi-layers carbon fiber composite has high detecting precision and much better detection effects. Whether composite materials have defects as well as the defects position can identify.%结合飞机复合材料无损检测需求，介绍了多层碳纤维布的材料工艺，分析了超声反射法的基本原理及其特点，并利用有限元方法对超声检测过程进行了数值模拟。
abaqus碳纤维复合材料结构
Abaqus碳纤维复合材料结构1. 概述碳纤维复合材料是一种具有优异性能的先进材料，它在航空航天、汽车工业、体育器材等领域得到了广泛应用。
在工程设计中，对碳纤维复合材料结构的性能和可靠性进行准确的评估至关重要。
Abaqus是一种常用的有限元分析软件，能够对复材结构进行准确的模拟和分析，因此对于碳纤维复合材料结构的研究至关重要。
2. 碳纤维复合材料的特点碳纤维复合材料由高强度的碳纤维和塑料基体组成，具有重量轻、强度高、刚性大、耐腐蚀、抗疲劳等优点。
然而，碳纤维复合材料的非均匀性和复杂的结构使得其性能表现和预测变得更加复杂。
需要借助有限元分析等方法进行深入研究。
3. Abaqus对碳纤维复合材料结构的模拟Abaqus作为有限元分析软件，具有强大的建模和分析能力，能够对碳纤维复合材料的结构进行准确的模拟。
通过Abaqus可以建立复材层合板、复材蜂窝结构、复材夹芯板等常见的复材结构模型，并进行受力性能、疲劳寿命、断裂行为等方面的分析和预测。
4. Abaqus在碳纤维复合材料结构中的应用Abaqus在碳纤维复合材料结构领域有着广泛的应用，例如在航空航天领域，可以利用Abaqus对飞机机翼、机身等结构的复材部件进行受力和疲劳寿命分析；在汽车工业领域，可以利用Abaqus对碳纤维复合材料车身、悬挂系统等部件进行强度和刚度分析；在体育器材制造领域，可以利用Abaqus对碳纤维复合材料网球拍、高尔夫球杆等产品的性能进行模拟和预测。
这些实际应用表明Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的重要性和价值。
5. Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的挑战和展望尽管Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中取得了显著的成果，但仍然面临一些挑战，如对复材材料本身非线性、破坏行为、界面效应等方面的准确建模和模拟；另外，随着复材结构的复杂化和应用领域的拓展，需要Abaqus不断更新和完善其建模和分析能力，以满足不断增长的复材结构仿真需求。
基于ABAQUS的碳纤维复合材料板热冲压成形仿真
研究与开发合成纤维工业ꎬ２０１９ꎬ４２(２):１６ＣＨＩＮＡ㊀ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ㊀ＦＩＢＥＲ㊀ＩＮＤＵＳＴＲＹ㊀㊀收稿日期:２０１８￣１０￣０２ꎻ修改稿收到日期:２０１９￣０１￣２５ꎮ作者简介:张华伟(１９８３ )ꎬ男ꎬ讲师ꎬ主要从事纤维增强复合材料的研究与教学工作ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｚｈａｎｇｈｗ＠ｎｅｕｑ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ基金项目:国家自然科学基金项目(５１４７５０８６)ꎻ河北省自然科学基金项目(Ｅ２０１６５０１１１８)ꎻ中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(Ｎ１７２３０４０３６)ꎻ河北省高等学校科学技术研究重点项目(ＺＤ２０１７３１５)ꎮ㊀∗通信联系人ꎮＥ￣ｍａｉｌ:２４７３２８２１０＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ基于ＡＢＡＱＵＳ的碳纤维复合材料板热冲压成形仿真张华伟ꎬ李博宏∗(东北大学秦皇岛分校控制工程学院ꎬ河北秦皇岛０６６０００)摘㊀要:基于ＡＢＡＱＵＳ有限元分析软件对碳纤维增强聚醚醚酮(ＰＥＥＫ)复合材料板的热冲压成形工艺进行模拟ꎬ分析了复合材料在热冲压过程中的受力及变形特性ꎬ探讨了纤维铺层夹角㊁复合材料板层数和复合层类型对其成形性能的影响ꎮ结果表明:可以利用复合材料的工程常数建立材料的本构模型ꎻ在复合层类型的选择中ꎬ 三维实体￣连续壳 更符合实际情况ꎬ仿真效果更好ꎻ复合材料的纤维铺层夹角是其热冲压成形的主要影响因素ꎬ而且同其他的纤维铺层夹角(０ʎꎬ３０ʎꎬ４５ʎ)相比ꎬ复合材料在铺层夹角为９０ʎ时热冲压受力较好ꎬ但应变也较大ꎬ容易发生破坏ꎻ当总厚度一定时ꎬ复合材料板层数对材料的受力无明显影响ꎻ选择复合层类型为连续壳㊁９０ʎ夹角的复合材料板建立热冲压模型ꎬ仿真效果最好ꎮ关键词:碳纤维㊀复合材料㊀热冲压成形㊀有限元模型㊀模拟仿真中图分类号:ＴＱ３４２＋.７４㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１００１￣００４２(２０１９)０２￣００１６￣０５㊀㊀复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料ꎮ通常来说ꎬ复合材料除了具有其组合材料的原始性能之外ꎬ还会产生一些原来组分材料所没有的新的性能ꎬ从而使得复合材料在强度㊁刚度㊁热力学等性能上有了一定幅度的改善[１]ꎮ碳纤维增强树脂基复合材料具有较高的强度ꎬ相对比金属材料来说ꎬ更加耐腐蚀㊁绝缘性好㊁制作方式简单ꎮ而且ꎬ碳纤维复合材料的密度小㊁比强度高ꎬ具有较好的轻量化效果和抗冲击性能ꎮ但这种材料也有其不足之处:材料各向异性严重㊁常温下成形性能差㊁生产成本较高等ꎮ张琦等[２]研究了碳纤维复合材料板的非等温模具热冲压ꎬ并以实验与有限元仿真结合的方式对纤维编织复合材料进行了分析ꎮ堵同亮等[３]建立了碳纤维编织复合材料的超弹性本构模型ꎬ研究了碳纤维编织复合材料在冲压成形带有双曲率曲面的结构件时的纤维重新排布和重新取向ꎮ但这些研究多数是以细观力学的分析方法来对复合材料冲压工艺仿真建模ꎬ对于从宏观的角度利用工程常数建模仿真的研究还相对较少[４－８]ꎮＡＢＡＱＵＳ软件是一款功能强大的有限元分析软件ꎮ在工程应用方面ꎬＡＢＡＱＵＳ基于丰富的单元库ꎬ可以用于模拟绝大多数的常见工程材料ꎬ如金属㊁聚合物㊁复合材料㊁橡胶等ꎮ作者利用ＡＢＡＱＵＳ软件对碳纤维复合材料板的宏观力学行为进行了研究ꎬ建立了碳纤维复合材料板在高温状态下的本构模型ꎬ在此基础上构建了碳纤维复合材料热冲压成形的有限元模型ꎬ完成了成形过程的有限元仿真ꎬ对比了不同的复合层类型㊁铺层角度㊁铺层层数对碳纤维复合材料板热冲压成形的影响ꎬ研究结果对于碳纤维复合材料零件在汽车轻量化上的应用[９]具有一定的指导意义ꎮ１㊀实验１.１㊀原材料连续碳纤维:牌号为Ｔ１１００Ｇꎬ日本东丽公司生产ꎻ聚醚醚酮(ＰＥＥＫ)树脂:牌号为ＫＴ￣８２０ＮＬꎬ熔点３４０ħꎬ索尔维集团产ꎮ１.２㊀碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料的制备对于碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料ꎬ工业上常采用热压法进行制备ꎮ其主要工艺流程为:首先将碳纤维和预处理过的ＰＥＥＫ薄膜交替铺层在清洗干净的模具中ꎬ然后将模具放入已经预热一段时间的平板硫化机内ꎬ将温度提升到一特定温度ꎬ同时加压至设定的压力ꎬ保压一段时间ꎮ待到温度自然冷却至ＰＥＥＫ树脂的玻璃化转变温度以下ꎬ完成脱模ꎬ则可以得到碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料板[１０－１１]ꎮ设置参数:热压温度３９５ħꎬ热压压力２.５ＭＰａꎮ１.３㊀复合材料板工程常数的拟定对于仿真建模来说ꎬ此处可以利用复合材料的工程常数来建立碳纤维复合材料板的本构模型ꎬ即从细观力学入手设置参数ꎬ最后结合宏观力学的方法来进行仿真模拟分析ꎮ复合材料工程弹性常数共有９个ꎬ即该材料的三个方向上的弹性模量(Ｅ１ꎬＥ２ꎬＥ３)㊁三个方向上的泊松比(ｖ１２ꎬｖ１３ꎬｖ２３)和三个方向上的剪切模量(Ｇ１２ꎬＧ１３ꎬＧ２３)ꎮ其中Ｅ１为主方向上的弹性模量ꎬ即本材料中的连续纤维方向ꎮ通过相关文献可以查得常温下碳纤维复合材料的Ｅ１为１５０~４５０ＧＰａ[１２]ꎮ横截面积为Ａꎬ连续纤维与基体的横截面积分别为ＡｆꎬＡｍꎬ于是有:σ１Ａ＝σｆＡｆ＋σｍＡｍ(１)式中:σ１为主方向上的应力ꎻσｆ为连续纤维截面应力ꎻσｍ为基体的应力ꎮ考虑到应力与模量的关系ꎬ则有:Ｅ１＝ＥｆＡｆＡ＋ＥｍＡｍＡ(２)式中:Ｅｆ为连续纤维截面的弹性模量ꎻＥｍ为基体的弹性模量ꎮ其他工程常数可选用ＰＥＥＫ材料的基本参数[１３－１５]ꎮ因此ꎬ拟定采用的复合材料工程常数如表１所示ꎮ表１㊀碳纤维增强复合板材工程常数Ｔａｂ.１㊀Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｓｔａｎｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｔｅ项目参数Ｅ１/ＭＰａ３２８００.０Ｅ２/ＭＰａ４８.３Ｅ３/ＭＰａ４８.３ｖ１２０.４ｖ１３０.４ｖ２３０.４Ｇ１２/ＭＰａ１１.４Ｇ１３/ＭＰａ１１.４Ｇ２３/ＭＰａ１１.４１.４㊀基于ＡＢＡＱＵＳ的冲压成形仿真建模方案在ＡＢＡＱＵＳ中进行几何建模ꎬ建立半球冲压仿真的模型ꎬ设定Ｚ方向为冲压方向ꎮ将冲头㊁压边框以及下模视为刚体ꎮ进行网格划分时ꎬ对于碳纤维复合材料板ꎬ选择了常规壳和连续壳两种复合层类型ꎬ其网格单元选择Ｓｈｅｌｌ中的Ｓ４Ｒ(常规壳)和ＣｏｎｔｉｎｕｕｍＳｈｅｌ１中的ＳＣ８Ｒ(连续壳)单元类型[１６－１９]ꎬ其余部件如冲头等采取仿真分析中常用的Ｃ３Ｄ１０Ｍ单元类型ꎮ为了保证精度ꎬ板材采用细化网格ꎬ同时为了提高运算效率ꎬ对冲头㊁压边框和下模采用粗网格划分ꎬ如图１ꎮ图１㊀热冲压模型示意Ｆｉｇ.１㊀Ｓｋｅｔｃｈｏｆｓｔａｍｐｉｎｇｍｏｄｅｌ㊀㊀设定碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料板处于２００ħ适宜冲压的状态ꎬ选用实验试件为厚度０.３ｍｍꎬ边长为５００ｍｍ的正方形材料板ꎬ用于成形热冲压深度为１００ｍｍ的半球形拉伸件ꎮ复合层纤维铺层夹角选取４种方式ꎬ即０ʎ㊁间隔３０ʎ㊁间隔４５ʎ( 米 字型铺层)与９０ʎ( 十 字型铺层)排布ꎮ复合层的层数与每层厚度由被冲压材料板的总厚度确定ꎬ即总厚度不变ꎬ单层材料厚度与层数成反比ꎮ冲压板总厚度为０.３ｍｍꎬ复合层层数设置为６ꎬ８ꎬ１２ꎬ２０ꎬ３０层５个等级ꎮ２㊀结果与讨论２.１㊀复合层的类型选择对仿真结果的影响针对复合层类型ꎬ进行了两种建模方式ꎬ即常规壳￣三维壳单元建模和连续壳￣三维实体单元建模ꎬ其应力云图分别见图２㊁图３ꎮ图２㊀４５ʎ复合层类型的应力云图对比Ｆｉｇ.２㊀Ｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｔｙｐｅｏｆ４５ʎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｙｅｒ７１第２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张华伟等.基于ＡＢＡＱＵＳ的碳纤维复合材料板热冲压成形仿真图３㊀９０ʎ复合层类型的应力云图对比Ｆｉｇ.３㊀Ｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｔｙｐｅｏｆ９０ʎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｙｅｒ㊀㊀从两种建模方式的应力云图对比分析可以看出来ꎬ使用常规壳￣三维壳单元来进行建模的时候ꎬ与连续壳￣三维实体单元的应力数据几乎没有区别ꎬ但显示效果并没有连续壳￣三维实体单元的显示效果好ꎮ由此可知ꎬ在进行复合层建模的时候ꎬ常规壳对于碳纤维增强复合材料的连续性的因素影响没有连续壳好ꎬ应力分析是按照常规材料的应力计算方式进行的ꎬ所以在某些位置会出现没有任何过度的应力突变的情况ꎮ当改成连续壳￣三维实体单元建模的时候ꎬ由于考虑到了碳纤维复合材料的特性ꎬ在ＡＢＡＱＵＳ中有不同的计算方式ꎬ使得对于材料板的应力计算过度更加平滑ꎬ因此也不会出现类似于常规壳的那种应力突变点ꎮ因此ꎬ后文中复合层板间铺层夹角与板间层数的讨论均在建模类型为 连续壳￣三维实体单元 的基础上进行ꎮ２.２㊀复合材料的铺层夹角对冲压受力的影响碳纤维复合材料的主要受力元素是碳纤维ꎬ基体在受力过程中起到传递载荷的作用ꎮ碳纤维复合材料板冲压工艺主要受材料拉应力性能指标的影响ꎬ即可以通过分析比较最大拉应力来判断碳纤维受力情况ꎮ同时为了进一步探究复合材料层间夹角排布对其热冲压性能的影响ꎬ还设置了一组不同复合材料板层间夹角的真实应变对比ꎮ实验中以１２层复合材料板为例ꎬ其应力云图见图４ꎬ其应变云图见图５ꎮ结合图４ꎬ图５和表２ꎬ表３可分析出ꎬ当其他条件相同ꎬ当碳纤维复合材料板层间夹角不同的时候ꎬ其受到的冲压应力与应变是不同的ꎮ当层间夹角为９０ʎ叠层时ꎬ其碳纤维排列结构简单ꎬ层间滑移大ꎬ剪切柔度高ꎬ所以纤维夹角的可转角度也很大ꎻ当层间夹角为３０ʎ间隔与４５ʎ间隔分布时ꎬ由于纤维排布较为复杂ꎬ多个方向角都有限制截面剪切的纤维阻力ꎬ所以剪切柔度小ꎬ导致冲压深度相同的情况下ꎬ其纤维转角较小ꎬ即产生较大的应力ꎮ同时可观察得到ꎬ在层间夹角为３０ʎ或４５ʎ排布的时候ꎬ由于碳纤维材料在板材的几何中心排布最为密集ꎬ理论上在几何中心的受力应该是最大的ꎬ其次才是下模与板材接触的区域ꎬ即云图显示其主要受力区域在板材与冲头接触的中心位置ꎻ而间隔９０ʎ排布则不同ꎬ碳纤维在几何分布上是均匀的ꎬ不会出现某一区域的受力性能明显高于其他区域的情况ꎬ所以其主要受力区域为下模与板材的接触位置[２０－２２]ꎮ不难看出ꎬ无论对复合板中的纤维层夹角如何排布ꎬ都无法消除复合板冲压过程中的各向异性ꎮ图４㊀不同层间夹角的１２层复合材料板应力云图示意Ｆｉｇ.４㊀Ｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍｓｏｆ１２￣ｌａｙｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈｅｅｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅｓ图５㊀不同层间夹角的１２层复合材料板应变云图示意Ｆｉｇ.５㊀Ｓｔｒａｉｎｎｅｐｈｏｇｒａｍｓｏｆ１２￣ｌａｙｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈｅｅｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅｓ８１㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１９年第４２卷表２㊀不同层间夹角及层数的复合材料板的冲压应力Ｔａｂ.２㊀Ｓｔａｍｐｉｎｇｓｔｒｅｓｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｐｌａｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅｓ层间夹角/(ʎ)冲击应力/ＭＰａ６层８层１２层２０层３０层０１０３.７１０６.１１１０.３８９.４８９.１３０８７２.４８７４.８９２０.２９９８.９９２３.６４５９０８.１９４９.０９３４.９９８２.９９６７.３９０１７０.３１０１.１１０８.５１１５.７１１４.６表３㊀不同层间夹角及层数的复合材料板的冲压应变Ｔａｂ.３㊀Ｓｔａｍｐｉｎｇｓｔｒａｉｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｐｌａｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅｓａｎｄｌａｙｅｒｎｕｍｂｅｒｓ层间夹角/(ʎ)冲压应变６层８层１２层２０层３０层００.０９９２０.１００２０.１０１２０.０９９９０.０９９４３００.０６４２０.０３５９０.０３０００.０３１９０.０２９３４５０.０４２５０.０３０４０.０２９９０.０３０１０.０２９９９００.１００９０.１００２０.１０１５０.１０２５０.１０３４㊀㊀对比０ʎꎬ３０ʎꎬ４５ʎꎬ９０ʎ层间夹角的４种不同纤维排布方式的应变云图可以看出ꎬ 十 字型排布方式的应变与 米 字形排布方式的应变有着本质的区别ꎬ即其发生应变的区域完全不同ꎬ而其应变的大小也是差别很大ꎬ９０ʎ铺层的复合材料应变较大ꎬ达到了１０％的形变程度ꎻ而４５ʎ与３０ʎ铺层的复合材料应变较小ꎬ仅有３％的形变ꎮ这些现象都说明了复合材料板的不同板间夹角排布会给冲压工艺带来不同的受力情况ꎬ随着其层间夹角排布的不同ꎬ其纤维层之间剪切转动方式㊁复合材料板的宏观力学性能等均会产生较大的差异[２２]ꎮ一般说来ꎬ９０ʎ夹角的排布方式时其冲压受力与成形性能要好于另外两种ꎮ但这种排布方式伴随而来的是较大的应变幅度ꎬ这也意味着这种排布方式较另外两种来说更容易产生受力破坏[２３]ꎮ这个结论符合碳纤维复合材料的力学成形原理ꎮ除了这四种为工程上常用的铺层方式以外ꎬ本文还进行了单层０ʎ夹角的复合材料板的热冲压仿真ꎮ最后的现象也合理地解释了复合材料板冲压成形的原理ꎬ即当碳纤维受力后ꎬ其纤维方向上几乎没有拉伸形变ꎬ而是产生位移ꎮ所以在宏观上ꎬ板材显示出来的就是纤维方向上的板材的 收束 形变ꎮ２.３㊀复合材料的板间层数对冲压工艺的影响本研究设置了５组铺层层数ꎬ设定总厚度一定ꎬ即铺层层数越多ꎬ每一铺层就越薄ꎮ此处拟定最大铺层数为３０ꎬ当铺层数超过３０的时候ꎬ每一层的厚度均降至０.０１ｍｍ以下ꎬ已经不符合常规的生产要求ꎮ同时ꎬ由于本研究主要讨论的是碳纤维复合材料的纤维排布方向与复合材料板间层数对热冲压的影响ꎬ所以对各方向纤维占比受力的影响并未给予考虑ꎮ由１２层复合材料板冲压应力云图(图４)及表２㊁表３分析可知ꎬ当总厚度一定时ꎬ板间层数相对于铺层方式来说ꎬ对冲压性能的影响不大ꎮ其中细微差别可以通过纵向对比来发现:冲压过程中的应力一般随着板间铺层的层数上升而上升ꎮ其主要原理是由于铺层层数变多ꎬ板料的稳定性也会越来越好ꎬ而且由于层数增多ꎬ使得其总层间摩擦力增大ꎬ这也会对冲压受力的情况带来一定的影响ꎮ所以在相同的冲压位移的情况下ꎬ其受力变得更高ꎮ因此也可以认为板间层数对碳纤维增强复合材料板的冲压性能影响较小ꎬ与板间连续纤维排布角度相比ꎬ板间层数的影响可以忽略不记ꎮ同时ꎬ因为复合材料板板件的厚度对板材的力学性能有很大的影响ꎬ所以相比于复合材料板间的复合层层数ꎬ复合材料板的厚度对于热冲压的性能影响更大ꎮ３㊀结论ａ.以ＡＢＡＱＵＳ为建模工具ꎬ利用工程常数建模同宏观力学结合的方法构建了碳纤维复合材料高温本构模型ꎮｂ.在选择复合层类型的时候ꎬ 连续壳 类型的仿真效果要明显好于常规壳ꎬ更加符合实际的受力情况ꎮｃ.碳纤维增强复合材料的热冲压性能主要取决于复合板层间的夹角排布ꎬ当夹角排布的方式越松散ꎬ纤维之间剪切柔度越高ꎬ则其在高温状态下冲压受力情况就越好ꎻ反之ꎬ当夹角排布的方式越稳定ꎬ则其在高温状态下的冲压受力情况就越差ꎮ其中综合看来是９０ʎ夹角排布时冲压受力较好ꎮｄ.在同样的温度和夹角排布的情况下ꎬ碳纤维增强复合材料板的板间层数对于冲压受力性能的影响不大ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀沈观林ꎬ胡更开ꎬ刘彬.复合材料力学[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２０１３:４－２０.９１第２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张华伟等.基于ＡＢＡＱＵＳ的碳纤维复合材料板热冲压成形仿真[２]㊀张琦ꎬ高强ꎬ赵升吨.碳纤维复合材料板热冲压成形试验研究[Ｊ].机械工程学报ꎬ２０１２ꎬ４８(１８):７２－７４. [３]㊀堵同亮ꎬ彭雄奇ꎬ郭早阳ꎬ等.碳纤维编织复合材料冲压成形实验与仿真分析[Ｊ].功能材料ꎬ２０１２ꎬ１６(４４):２４０１－２４０４.[４]㊀代少俊.高性能纤维复合材料[Ｍ].上海:华东理工大学出版社ꎬ２０１３:４－９.[５]㊀罗益锋.碳纤维复合材料的研发方向和市场开发动向[Ｊ].高科技纤维与应用ꎬ２０１１ꎬ２２(１１):３８－４１. [６]㊀ＺｈａｎｇＱｉꎬＣａｉＪｉｎꎬＧａｏＱｉａｎｇ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｒｍａｌｄｅｅｐｄｒａｗｉｎｇｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｗｏｖｅｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＪＭａｔｅｒＰｒｏｃＴｅｃｈꎬ２０１４ꎬ２１４(４):８０２－８１０. [７]㊀ＺｈａｎｇＱｉꎬＣａｉＪｉｎꎬＧａｏＱｉａｎｇ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅ￣ｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｒｍａｌｓｔａｍｐｉｎｇｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈｅｅｔ[Ｊ].ＴｒａｎｓＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔＳｏｃＣｈｉｎꎬ２０１４ꎬ２４(１):２１７－２２３.[８]㊀庄靖东.聚醚醚酮板材热成型性能研究[Ｄ].武汉:华中科技大学ꎬ２０１５.[９]㊀彭孟娜ꎬ马建伟.碳纤维及其在汽车轻量化中的应用[Ｊ].合成纤维工业ꎬ２０１８ꎬ４１(１):５３－５７.[１０]支建海ꎬ钱鑫ꎬ张永刚ꎬ等.国产碳纤维增强树脂基复合材料的界面结合性能研究[Ｊ].合成纤维工业ꎬ２０１８ꎬ４１(４):１４－１７.[１１]张照.碳纤维织物增强聚醚醚酮基(ＣＦＦ/ＰＥＥＫ)航空复合材料的制备及其界面改性[Ｄ].上海:东华大学ꎬ２０１７. [１２]唐见茂.高性能纤维及复合材料[Ｍ].北京:化学工业出版社ꎬ２０１２:１２－１９.[１３]张少实ꎬ庄茁.复合材料与粘弹性力学[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ２０１１:５３－５５.[１４]庄靖东ꎬ黄志高ꎬ周华民.热成型条件下ＰＥＥＫ力学行为研究与建模[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１５ꎬ４３(７):７３－７７.[１５]黄发荣ꎬ周燕.先进树脂基复合材料[Ｍ].北京:化学工业出版社ꎬ２００８:１６８－１６９.[１６]庄茁ꎬ由小川ꎬ廖剑晖ꎬ等.基于ＡＢＡＱＵＳ的有限元分析和应用[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２００９:１７－２４. [１７]刘展.ＡＢＡＱＵＳ有限元分析从入门到精通[Ｍ].北京:人民邮电出版社ꎬ２０１５:１９４－２０６.[１８]齐威.ＡＢＡＱＵＳ６.１４超级学习手册[Ｍ].北京:人民邮电出版社ꎬ２０１６:４９２－４９８.[１９]张建伟.ＡＢＡＱＵＳ有限元分析￣从入门到精通[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ２０１５:２２－７９.[２０]ＣｈｅｎＱｉａｎｑｉａｎꎬＢｏｉｓｓｅＰꎬＰａｒｋＣＨꎬｅｔａｌ.Ｉｎｔｒａ/ｉｎｔｅｒ￣ｐｌｙｓｈｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｃｏｍｐｏｓ￣ｉｔｅｓｉｎｔｈｅｒｍｏｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ[Ｊ].ＣｏｍｐＳｔｒｕｃｔꎬ２０１１ꎬ９３(７):１６９２－１７０３.[２１]㊀张衡ꎬ严飙ꎬ龚友坤ꎬ等.碳纤维机织物增强热塑性树脂复合材料热冲压叠层模型[Ｊ].复合材料学报ꎬ２０１７ꎬ３４(１２):２７４１－２７４６.[２２]丁纺纺ꎬ彭雄奇.复合材料用机织物非正交本构模型的半球形冲压成型验证[Ｊ].复合材料学报ꎬ２０１１ꎬ２８(１):１５６－１６０.[２３]韩宾ꎬ王宏ꎬ于杨惠文ꎬ等.碳纤维增强热塑性复合材料盒形件热冲压成型研究[Ｊ].航空制造技术ꎬ２０１７(１６):４０－４５.ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍａｌｓｔａｍｐｉｎｇｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈｅｅｔｂａｓｅｄｏｎＡＢＡＱＵＳＺｈａｎｇＨｕａｗｅｉꎬＬｉＢｏｈｏｎｇ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙａｔＱｉｎｈｕａｎｇｄａｏꎬＱｉｎｇｈｕａｎｇｄａｏ０６６０００)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔａｍｐｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ(ＰＥＥＫ)ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈｅｅｔｗａｓｓｉｍｕｌａ￣ｔｅｄｂａｓｅｄｏｎＡＢＡＱＵＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｓｔａｍｐｉｎｇ.Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｆｉｂｅｒｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅａｎｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒａｎｄｔｈｅｔｙｐｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｙｅｒｓｏｎｔｈｅｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｃｏｕｌｄｂｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｅｎ￣ｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｓｔａｎｔｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎻｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄ￣ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｈｅｌｌｗａｓａｍｏｒｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈｅｅｔｔｙｐｅｉｎｌｉｎｅｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎꎬｐｒｏｖｉｄｉｎｇａｂｅｔｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｔｈａｎｏｔｈｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈｅｅｔｔｙｐｅｓꎻｔｈｅｆｉｂｅｒｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅｏｆｃｏｍ￣ｐｏｓｉｔｅｓｗａｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔａｍｐｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓꎻｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｏｔｈｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｔｈｅｆｉｂｅｒｉｎｔｅｒ￣ｌａｙｅｒａｎｇｌｅｓｏｆ０ʎꎬ３０ʎａｎｄ４５ʎꎬｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｗｉｔｈｔｈｅｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅｏｆ９０ʎｓｈｏｗｅｄｂｅｔｔｅｒｓｔｒｅｓｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｈｉｌｅｔｈｅｒｍａｌｓｔａｍｐｉｎｇａｎｄｗａｓｐｒｏｎｅｔｏｂｅｉｎｇｄａｍａｇｅｄｄｕｅｔｏｈｉｇｈｅｒｓｔｒａｉｎꎻｔｈｅｌａｙｅｒｎｕｍｂｅｒｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｈａｄｎｏｏｂｖｉｏｕｓｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｔａｆｉｘｅｄｔｏｔａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅꎻａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｗｈｅｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔａｍｐｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｈｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｈｅｌｌａｎｄｉｎｔｅｒｌａｙｅｒａｎｇｌｅｏｆ９０ʎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒꎻｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌꎻｔｈｅｒｍａｌｓｔａｍｐｉｎｇｆｏｒｍａｔｉｏｎꎻｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌꎻｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ０２㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１９年第４２卷。
基于ABAQUS的CCF300碳纤维层合板低速冲击破坏数值模拟
基于ABAQUS的CCF300碳纤维层合板低速冲击破坏数值模拟熊明洋;向忠;胡旭东;陆海亮【摘要】为了更有效预测国产碳纤维增强材料在冲击载荷下的损伤情况,以国产碳纤维(CCF300)/环氧树脂(5228)复合材料层合板为对象,利用专业有限元仿真软件ABAQUS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CCF300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FORTRAN语言编写ABAQUS材料用户子程序VUMAT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,材料的单元失效是通过引入状态损伤变量来判断.仿真模型可通过调用子程序来模拟复合材料的纤维拉伸、压缩失效、基体开裂、挤压失效4种层内损伤,同时ABAQUS本身可以模拟材料分层损伤.通过仿真得到了材料的最大冲击破坏载荷和损伤模式的效果图.%In order to more effectively study and predict the damage of domestic carbon fiber reinforced materials under impact load,this paper took the domestic carbon fiber (CCF300) / epoxy resin (5228) composite laminates as the object,the professional finite element simulation software ABAQUS was used for impact damage simulation.Based on the analysis of progressive damage,a three-dimensional finite element model of damage and deformation for composite laminates under low velocity impact was established.Being applied to three dimensional solid elements and cohesive elements,the model could simulate the different failure modes of intralaminar andinterlaminar damage for composite laminates.The numerical analysis was mainly carried out by using the user subroutine (VUMAT) of finite element software ABAQUS which included three parts: the solution of constitutive equation,the damage criterion to the failure of the element and material degradation of damage element.In the process of the simulation model could call the subroutine to simulate fiber tensile failure,fiber compress failure,matrix crushing and matrix cracking and the ABAQUS could simulate the delamination damage by itself.Finally,the maximum impact strength and damage pattern of the material were obtained by simulation.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2017(035)004【总页数】6页(P27-32)【关键词】复合材料;低速冲击;有限元分析;渐进损伤;ABAQUS有限元仿真软件【作者】熊明洋;向忠;胡旭东;陆海亮【作者单位】浙江理工大学机械与自动控制学院, 浙江杭州 310018;浙江理工大学机械与自动控制学院, 浙江杭州 310018;浙江理工大学机械与自动控制学院, 浙江杭州 310018;浙江理工大学机械与自动控制学院, 浙江杭州 310018【正文语种】中文【中图分类】TB332[研究·设计]近几十年来，复合材料以其比强度高和比模量大、耐疲劳性能好、耐腐蚀性好等优点在航空、航海和汽车制造等多领域得到广泛的应用[1]。
cfrp层合板冲击后压缩失效分析数值模拟
摘要: 复合材料层合板的损伤容限是复合材料结构设计的关键因素ꎮ 针对碳纤维增强复合材料( ＣＦＲＰ) 层合板低速冲击
损伤和压缩破坏问题ꎬ本文基于连续损伤力学和粘结单元模型ꎬ在 ＡＢＡＱＵＳ 中对两种不同冲击能量下的层合板进行了低速冲
击和冲击后压缩仿真分析ꎬ并对层内和层间损伤进行了研究ꎬ分析了层合板的冲击损伤与压缩失效行为ꎬ通过与试验结果进行
二次冲击设备启动阻止试件受到二次冲击ꎮ 数据采
参数如表 １
[１５]
所示ꎮ
定到夹具上ꎬ落锤从设定高度落下冲击试件ꎬ之后防
Ｔａｂｌｅ １ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＣＦＲＰ ｌａｍｉｎａｔｅｓ
集系统利用压力传感器采集冲击过程中的冲击力
参 数
数 值
参 数
数 值
Ｅ １ / ＭＰａ
ＣＦＲＰ 层合板冲击后压缩失效分析数值模拟
１２
２０２０ 年 ５ 月
ＣＦБайду номын сангаасＰ 层合板冲击后压缩失效分析数值模拟
李要磊ꎬ 铁 瑛 ∗ ꎬ 李 成ꎬ 孙振辉
( 郑州大学机械与动力工程学院ꎬ 郑州
４５０００１)
２ 试验设备与方法
２ １ 材料和试件
度对冲击后压缩强度的影响
[７￣１０]
[１２]
分考虑了三维应力状态时的拉伸和压缩破坏机制ꎮ
分离定律来捕获损伤的发生和损伤演化ꎬ对复合材
料层间损伤、层内损伤情况以及损伤容限进行了相
关研究ꎮ Ｇｏｎｚáｌｅｚ 等
[１３]
采用连续壳单元和粘性表
面的有限元模型求解策略来模拟冲击后的压缩行
１３
２０２０ 年第 ５ 期
ｍｍꎮ 铺层顺序为[ ９０ / ４５ / － ４５ / ０] ３Ｓ ꎬ层合板的材料
基于近场动力学与有限元结合的复合材料层合板建模及冲击响应研究
基于近场动力学与有限元结合的复合材料层合板建模及冲击响应研究篇一哎呀，说起这基于近场动力学与有限元结合的复合材料层合板建模及冲击响应研究，那可真是让我一把辛酸泪啊！刚开始接触这个课题的时候，我完全是懵的，感觉就像被丢进了一个满是零件的大仓库，完全不知道从哪儿下手。
记得有一次，我去参观一个航空航天的制造车间。
那里有各种各样的先进材料和零部件，其中就有一些复合材料层合板的部件。
我看到那些板子，表面看起来挺光滑平整的，但是工人师傅跟我说，这些板子在实际使用中要是受到冲击，那可就麻烦了，很容易出现一些肉眼看不到的损伤，而且一旦有损伤，整个部件的性能就会大打折扣。
当时我就想，怎么才能更好地研究这些板子在冲击下的反应呢？回到学校后，我就开始琢磨这个近场动力学和有限元结合的方法。
首先得了解近场动力学是啥玩意儿吧，那些理论知识看的我头都大了，感觉比看天书还难。
但是没办法，硬着头皮上呗。
我就从一些简单的例子开始，试着用近场动力学的原理去分析一些小的力学系统，就像小孩子学走路，一步一步慢慢来。
有限元方法我之前倒是接触过一点，但是要把它和近场动力学结合起来，可不是一件容易的事。
我得搞清楚在什么情况下用近场动力学，什么情况下用有限元，就像在搭配衣服，得找到最合适的组合。
我开始尝试建立一些简单的复合材料层合板模型，用有限元方法划分网格，然后在关键的部位引入近场动力学的理论。
有一天，我在调整模型的一个参数时，怎么都得不到合理的结果。
我就一遍又一遍地检查我的步骤，眼睛都快看成斗鸡眼了。
突然，我发现是我在一个边界条件的设置上出了问题，就像找到了堵住水管的那块石头，把它拿掉后，水就顺畅地流了。
那一刻，我特别兴奋，感觉自己离成功又近了一步。
经过好几个月的努力，我终于建立了一个相对完整的复合材料层合板的模型，并且用它来模拟冲击响应。
当我看到模拟结果和实际情况比较接近的时候，我高兴得手舞足蹈。
从最初在车间看到那些复合材料层合板，到现在能够用自己的方法去研究它们的冲击响应，这一路虽然充满了艰辛，但也让我收获了满满的成就感。
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碳 纤 维 层 合 板 冲击 吸能 有 限元 模 拟
朱 亦钢 ， 王晋 ， 张子 龙
（ 北 京航 空 材 料研 究 院 先 进 复 合 材 料 重 点 实验 室 ， 北京 １ ０ ０ ０ ９ ５ ）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｖ ｕ ｍａ ｔ ．ａ Ｆ ＯＲ Ｔ ＲＡＮ ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ ｉ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ｔ ｏ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ｉ ｔ ｙ，ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｃ ｕ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ Ｓ Ｏ ａ ｓ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ；ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ
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Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｏ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ，ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｏ ｆ ｍｅ ｔ ａ ｌ
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 ： Ｖ ２ ５ ８ ． ３； Ｔ Ｂ １ １ ５ ． １ 文献标 志码 ： Ｂ
Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｉ ｍ ｐａ ｃ ｔ ｅ ｎｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｂｓ ｏ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ
的过程 ． 层合 板被 简化 为三 维 正交各 向异性 材料 板 ； 采用 Ａ ｂ ａ ｑ ｕ ｓ 提供的 ｖ ｕ ｍａ ｔ 等扩展 编 程接 口 ， 用 Ｆ Ｏ Ｒ Ｔ Ｒ Ａ Ｎ 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 ． Ａ ｂ ａ ｑ ｕ ｓ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．
ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｉｂ ｆ ｅ ｒ ｌ ａ ｍｉ ｎａ ｔ ｅ ｄ ｐ ｌ ａ
Ｚ ＨＵ Ｙｉ ｇ ａ ｎ ｇ ，Ｗ ＡＮＧ Ｊ ｉ ｎ，Ｚ ＨＡＮＧ Ｚ ｉ ｌ ｏ ｎ ｇ
（ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｎ Ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ９ ５ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
。
文章编号： １ ０ ０ ６ — ０ ８ ７ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ０ ０ １ — ０ ６
Ｎｍ ｅ ．￣ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ￣ ｎ ｄ Ｃ Ａ Ｅ Ａ １ ｇ ｏ ， ｔ ｈ ｎ ｉ
第２ ２卷 第 ２期
２ ０１ ３年 ４月
计 算 机 辅 助 工 程
Ｃｏ ｍｐ ｕｔ ｅ ｒ Ａｉ ｄ ｅ ｄ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
Ｖｏ １ ． ２ ２ Ｎｏ ． ２ Ａｐ ｒ ．２ ０１ ３
工程数值 仿 真与＝ Ｃ ＡＥ算法 量 ０－ －ｌ ｌ 曩 ｌ ｌ 誊