基于改进层间剪切强度准则的层压板冲击分层阈值力预测

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaMay252014Vol35No．51329—1335ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educahkxb@buaaedu．crl基于改进层间剪切强度准则的层压板冲击分层阈值力预测高尚君，于哲峰*，汪海上海交通大学航空航天学院，上海200240摘要：薄板受冲击时产生的挠度会使接触半径大于直接由赫兹接触定律所得的接触半径。本文提出两种考虑薄板挠度的接触半径修正方法，首先使用赫兹接触定律初步计算接触半径，

2、再联立层压板挠度公式和冲击头表面的几何方程得出修正的接触半径，用有限元模型验证了接触半径修正方法的有效性。使用基于层间剪切强度的分层阈值力(DTL)准则，提出了根据少量测试样本预测不同厚度层压板在不同半径冲击头作用下分层阈值力的方法。使用该方法预测了不同冲击参数下复合材料翼盒蒙皮的低速冲击分层阈值力。结果表明，使用了修正的接触半径后，预测精度有大幅的提高。关键词：分层阈值力；复合材料层压板；层间剪切强度；接触半径；分层预测；有限元法中图分类号：V258文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)05—1329—07

3、随着复合材料在工程结构中的广泛使用，其损伤预测问题愈发显得重要。复合材料对冲击载荷十分敏感n。2]，局部的冲击载荷可以导致一个较大的分层，导致材料的压缩强度急剧下降[3。4]。Choi和Chang[51研究了碳纤维增强环氧树脂基复合材料在低速冲击下相邻层间分层导致的失效。ZhouL6]通过对玻璃纤维增强复合材料低速冲击实验验证了分层是吸收冲击能量的主要途径之一，也是影响复合材料承载能力的决定性因素。因此，分层阈值力(DelaminationThresholdLoad，DTL)是复合材料冲击阻抗测试中的重要参数。分层计算方法有

4、多种，可通过有限元法计算出材料内部的应力，通过三维Hashin失效准则[7]、平方名义应力准则∞1等来判断分层。除了数值模拟，也可通过解析模型来判断分层阈值力，Davies和Zhang[9]基于复合材料Ⅱ型层间应变能释放率来建立分层阈值力模型。除此之外，Suth—erland[1叫和Yang[1妇等使用接触边界上平均剪切应力与层间剪切强度(InterlaminarShearStrength，ILSS)的关系预测分层阈值力。环向剪切应力与冲击头和板的接触半径有关，对于无限厚的板，接触半径可通过赫兹接触定律得出，而对于薄板，接触

5、半径受板挠曲变形的影响。本文首先研究挠曲变形对接触半径的影响，并通过修正接触半径，得到改进的基于层间剪切强度的分层准则，然后使用复合材料盒段蒙皮冲击实验数据进行验证。1改进的基于层间剪切强度的分层阈值力模型1．1分层阈值力基本模型层压板受冲击时的接触力与凹坑深度的关系收稿日期：2013—08—26；退修日期：2013—12—12；录用日期：2014-01—06；网络出版时间：2014—02．1416：23网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／S1000—6893．20130512htmI基金项目：国家

6、自然科学基金(11372192)；上海市自然科学基金(13ZRl422200)；上海市科委重大项目科技攻关课题(12dzll00302)*通讯作者Tel．：021—34206387E-mail：yuzf@sjtu．educn现角格武：GaoSJ，YuZF，WangH．Predictionofdelaminationthresholdloadforimpactoncompositelaminatebasedonmodifiedinterlam．inarshearstrengthcriterion[dJ．ActaAeronaut

7、icaetAstronauticaSinica，2014。35(5)：1329．1335高尚君，f哲峰，汪海基f改进层同剪切强凌准嬲的矮压板冲击分层蠲值力预瀚!句航空学报，2014，35(5)：1329-1335．航空学报May252014V01．35No．5可用赫兹接触定律表示，赫兹接触定律针对两个光滑、各向同性的弹性回转体的相互作用，但即使不全部满足这个条件，赫兹接触定律也有适用性，复合材料既非均质亦非各向同性，但是已经有相关实验验证赫兹接触定律能很好地描述复合材料的接触行为[1}”]，对于层压板与球面的接触，有P一咒a

8、3／2(1)式中：P为接触力；a为凹坑深度；行为赫兹接触刚度，其表达式为砣一堡堡(2)砣2——■_一LZJ式中：R为冲击头的半径；E为等效的接触模量，与两个物体材料的弹性模量有关，其计算公式为E1一譬+学(3)EE，⋯式中：口为泊松比；下标“1”和“2”分别指代球面冲击头和层压板。如果将冲