复合材料结构低速冲击损伤预测

摘要

复合材料的使用可以显著提高结构的强度和实现轻量化，在航天航空和汽车关键零部件制造领域复合材料的应用非常广泛。但是复合材料显著的各向异性使得结构对冲击载荷即使是低速冲击载荷的抵抗能力非常低，容易产生各种冲击损伤，因此，研究复合材料结构在冲击载荷下的损伤形式、演化过程及影响因素十分必要。
　　分层损伤是层合板在低速冲击下的最主要损伤形式，本文首先探讨了界面层法在分层研究中的应用，建立了含有界面层单元的复合材料 DCB模型，验证了模型在拉力分层下的响应并研究了铺层夹角对拉力分层的影响。铺层夹角对 DCB模型拉力下分层的扩展和峰值拉力影响显著，峰值拉力随夹角的增加而减小，当铺层夹角较小时变化较快，铺层夹角较大时变化趋缓。
　　利用有限元软件Abaqus和用户材料子程序VUMAT，建立了复合材料层合板低速冲击下的整体三维有限元模型，模拟了层合板低速冲击下的响应和损伤。通过与文献实验结果对比，验证了模型和子程序的准确性。结果表明，复合材料层合板低速冲击下的主要损伤有基体开裂和分层，基体开裂的出现早于分层，分层由基体开裂引起，二者相互作用；冲击位置附近基体开裂单元分布受正应力和切应力共同作用，远离冲击位置的基体开裂单元分布主要有正应力决定；在铺层角度发生改变的子层间均出现分层，其中远离冲击位置一侧分层更为严重，分层区域呈双叶形，长轴沿下方子层纤维铺设方向。
　　最后研究了冲击速度、冲头质量、复合材料参数及铺层角度对层合板低速冲击损伤的影响，对比分析了层合板变形、基体开裂和分层损伤的变化原因。层合板冲击变形和损伤受冲击速度影响显著，与冲头质量关系不大；复合材料性能的提升能够有效减小冲击变形，降低冲击损伤，其中剪切强度影响层合板受冲击位置附近基体开裂单元的分布；铺层角度的改变对层合板冲击下的变形和基体开裂影响不大，但是显著影响分层损伤，分层面积随铺层夹角的增大而增大，铺层夹角越小时，分层面积随夹角变化越快，铺角夹角越大时，分层面积的变化趋缓。

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1 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2国内外研究现状

1.3 本文的主要内容

2 复合材料渐进失效理论与层合板损伤模型

2.1 引言

2.2复合材料层合结构特性

2.3 复合材料层合结构低速冲击下的损伤形式

2.4 层合板低速冲击损伤预测模型

2.5 Abaqus/Explicit与显式动力学

3 基于界面层的复合材料层合板分层研究

3.1 分层损伤及研究方法

3.2 界面层单元本构模型

3.3 DCB模型分层研究

3.4 本章小结

4 复合材料层合板低速冲击下的损伤模拟

4.1 复合材料层合板有限元模型

4.2 层合板低速冲击损伤模拟

4.3 不同冲击速度下的层合板损伤

4.4 本章小结

5 复合材料层合板低速冲击损伤的影响因素

5.1 冲头质量对层合板损伤的影响

5.2 层合板性能对冲击损伤的影响

5.3 铺层角度对层合板低速冲击损伤的影响

5.4 本章小结

6 结论和展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果