复合材料波纹梁盒段耐撞性的数值模拟

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1、复合材料波纹梁盒段耐撞性的数值模拟第24卷第1期2007年3月应用力学CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSVo1.24NO.1Mar.2007文章编号:1000—4939(2007)04—0165—04复合材料波纹梁盒段耐撞性的数值模拟龚俊杰(南京航空航天大学210016南京)王鑫伟(扬州大学225002扬州)0摘要:运用MSC/DYTRAN有限元软件,结合参数等效的方法对复合材料波纹梁盒段的碰撞过程进行了数值模拟,获得了波纹梁盒段碰撞时的破坏过程,载荷一时间曲线,能量吸收能力等数据,将计算结果与M.A.McCarthy的试验结果进

2、行对比,可以发现两者比较吻合.从而说明采用参数等效的方法可以得到复合材料结构耐坠撞性设计中需要的数据.关键词:耐撞性;复合材料;波纹梁盒段;有限元法;等效方法中图分类号:TB332:O347.1文献标识码:A1引言复合材料在航空航天,汽车等领域的应用日益广泛,由于复合材料结构具有比吸能大的优点,因此复合材料及其结构的耐撞性成为近年来研究的热点.波纹梁盒段是直升机上重要的复合材料缓冲吸能结构,该结构形式不仅能够承受飞行器正常飞行时的剪切和弯曲载荷,同时还能很好地吸收碰撞过程中的能量,所以常常选择波纹梁盒段作为复合材料直升机的下底部结构,其耐撞性能直接关系到直升机

3、机体的耐撞性能.国内外已经对不同形式复合材料结构的抗坠特性进行了大量的试验研究与数值研究[】].数值研究主要运用PAM-CRASH,ABAQUS以及KRASH软件,最近也有部分研究采用MSC/DYT—RAN软件.目前国内开展这方面的工作相对较少,而且主要集中在复合材料元件与简单结构的试验研究上[6],倪先平等[q]运用DYNA3D软件对复合材料元件及结构进行了模拟.但由于复合材料结构的压溃过程实际上是由一系列的材料损伤破坏过程组成,边界及边界条件一直在变化,问题十分复杂,所以目前还没有一个公认的理论模型和模拟方法能有效地描述复合材料结构失效破坏的全过程.同时由

4、于复合材料结构碰撞试验具有周期长,难度大和费用高等缺点,所以探索运用有限元软件来模拟复合材料结构的碰撞吸能能力具有较强的实际应用价值.本文运用MSC/DYTRAN有限元软件对波纹梁盒段的破坏过程,载荷一时间曲线和能量吸收能力进行模拟,并与M.A.McCarthy的试验结果[1]进行比较.数值分析时采用了参数等效的方法,将复合材料层合板等效为弹塑性材料,从而探索运用MSC/DYTRAN软件来模拟复合材料结构耐撞性的策略和方法.作者已经运用该方法成功地对复合材料波纹梁等元件进行了模拟[11-12].2波纹梁盒段结构波纹梁盒段结构[1-1o3见图1所示,外部尺寸为7

5、16mm×716mm×225mm,自重5kg,上部绑有500kg的质量块用来模拟座位,乘客等重量.试验时,使盒段从4.5m的高度落下,以9.23m/s的速度撞击刚性地面,初始总动能为21.3kJ.波纹梁中间是单向(方向垂直地面)碳纤维/环*基金项目:高校博士点基金资助(20020287003);江苏省研究生创新计划项目(xm04—21)来稿日期:2005—04—24修回日期:2006—09—11第一作者简介:龚俊杰,男,1969年生,南京航空航天大学,博士生;研究方向一复合材料结构耐撞性.E-mail:6unj@126.corn应用力学第24卷氧层,用以吸收大

6、部分撞击能量,外面为混杂芳纶纤维/碳纤维/环氧层(方向相对垂直方向为±45度),混杂层可以承受面内的剪切载荷,并且可以维持压溃后波纹梁盒段的完整性.上下端面的凸缘板主要由±45.与.o/9o.的碳纤维/环氧层组成.波纹梁盒段主要的结构设计目的是在有限的变形范围内,吸收最多的能量,同时使得传递到乘员的峰值载荷为最小.对于脆性的复合材料结构,要达到此目的,必须建立可以控制的压溃失效模式,即设置薄弱环节.薄弱环节可以避免大的初始峰值载荷,并使得复合材料结构产生稳定的渐进压溃,而不是崩溃型断裂.通常的薄弱环节是在波纹梁底部与端面凸缘平面之间设置小圆弧过渡.此处主要的薄

7、弱环节是在波纹梁上部沿着长度方向5mm高度的区域内少铺设一层碳纤维/环氧.图1波纹梁盒段结构3波纹梁盒段的有限元模型波纹梁盒段碰撞的数值模拟采用显式非线性有限元分析软件:MSC/DYTRAN,该软件虽然具有分析复合材料的模块,但由于不具有计算复合材料吸能数据的能力,同时受到复合材料本构模型的限制,所以考虑将层合复合材料用参数等效的方法等效为带有屈服和最大应变失效的弹塑性材料,目的只是模拟层合板的宏观力学行为(强度,刚度),而不考虑微观的破坏情况.毫无疑问,采用等效的方法忽略了复合材料层合板破坏特定的力学行为,但却可以抓住问题的主要矛盾,即能获得工程上关心的承载

8、能力,吸能能力等重要数据,而且解决了软