FRP/金属混杂层合板低速冲击损伤数值分析

摘要

纤维增强金属层合板（FiberReinforcedMetalLaminates,简称FRMLs）是在上世纪80年代初，由荷兰的J.Schije、L.B.Vogelesang和荷兰Delft工业大学航空系材料研究室始创的旨在用于飞机结构的非疲劳敏感性材料。它是将铝合金薄板与纤维增强复合材料结合起来而产生的一种新型结构材料，与相应的单一轻金属合金相比，它质轻、耐疲劳；与传统的纤维增强层合板（FiberReinforcedPlastic,简称FRP）相比，其优点是：它能像常规金属合金薄板那样进行处理和加工。经过20多年的研究，人们对FRMLs的常规性能已有了较深入的了解，但是对于其冲击性能以及缺口件强度特征等方面的认识，无论是实验研究、理论分析，还是数值计算方面均存在很大不足，而鉴于其在飞机结构中的日益增加的应用需求，对该领域的研究又显得尤为重要和紧迫。FRMLs在制造、使用和维护过程中不可避免地会受到意外物体的冲击（许多情况下是低速冲击），从而造成结构的损伤和承载能力的下降。而这样的低速冲击损伤往往在表面难以发觉，因此存在着很大的潜在危害性。层合板的低速冲击（LowVelocityImpact，简称LVI）一直是学者们关注的重要课题。但关于新型复合材料FRMLs的冲击性能研究，其成果非常有限。复合材料的冲击损伤过程非常复杂。首先涉及到冲击-接触问题，另外还要考虑在冲击过程中层合板的主要损伤模式（基体开裂、分层），以及应用合适的模型及相应的处理方法。本文在三维动态有限元分析的基础上，分别对冲头和层合板划分网格，建立两者在冲击过程中的冲击-接触关系，采用显式中心时间差分法对运动方程求解。在分析了层合板损伤的基本形式及其力学机理的基础上，引入修正的Hashin基体失效准则和Choi-Chang在应力分量的基础上提出的分层判据，分别对冲击过程中的基体开裂和层间分层两种损伤模式进行判断；并利用刚度退化和解除耦合节点自由度的方法来模拟损伤对层合板结构的影响。通过对若干种层合板结构的冲击损伤模拟，得到如下主要结论：1）本文所建立的层合板低速冲击损伤模型，不仅能够有效的模拟层合板的低速冲击动态响应，还能够根据层合板在冲击过程中的损伤模式（基体开裂、分层）进行相应的处理（刚度退化、释放耦合节点自由度），计算得到的数值结果与文献中的试验观测结果相吻合。2）层合板在低速冲击过程中，存在一个能量阀值，低于该值的冲击能量不会对层合板造成损伤；以冲击损伤能量阀值和冲击造成的分层面积为衡量结构抗冲击损伤性能参数，从FRP和FRMLs的对比研究发现，后者的抗冲击性能要明显优于前者。3）与FRP相比，FRMLs中由于表面层Al板的塑性变形，可以吸收较大部分冲击能量，使得其抵抗冲击损伤的能力提高；对于FRP和FRMLs等体积（仅将FRP的表层换为同厚度的Al板）以及等质量（将FRP的表层换为等质量的Al板）两种情况，FRMLs的抗冲击能力均好于FRP；且Al板厚度的增加对提高FRMLs的冲击性能有显著影响。