基于lsdyna的复合材料层合板低速冲击损伤研究

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1、万方数据第12卷第12期2012年4月167l一1815(2012)12—2888—05科学技术与工程ScienceTechnologyandEn舀neefingVoL12No．12Apt．2012④2012Sci．TeckEngrg,基于LS—DYNA的复合材料层合板低速冲击损伤研究刘玄张晓晴’(华南理工大学土木与交通学院，广州510640)摘要结合应力强度理论和粘接域理论，提出一种全新的复合材料低速冲击损伤模型，利用大型动力有限元软件LS—DYNA进行实现，并通过算例的分析，验证了该模型的准确合理性。研究结果为复合材料抗低速冲击损伤提供理论依据。关键词复合材料低速冲

2、击损伤粘接域有限元中图法分类号V214．8；文献标志玛A复合材料结构在受到外来物冲击，特别是低速冲击时，极易产生各种内部损伤破坏，造成强度、刚度下降，削弱了复合材料性能，且内部损伤往往难以及时发现，从而增加了发生突然事故的可能性，这己成为复合材料进一步广泛应用的主要技术障碍。因此研究复合材料中低速冲击损伤问题，提高结构的抗中低速冲击损伤性能就显得非常重要。影响复合材料中低速冲击损伤破坏的因素众多，过程错综复杂，这给实验研究带来了很大的困难，而且实验研究耗时费力，成本巨大。因此，随着有限元数值方法的广泛应用，越来越多的学者开始利用数值模拟技术进行复合材料低速冲击损伤的研究

3、工作。M．Meo⋯，Hou等旧．31采用基于强度理论失效准则的损伤预测模型对层合板低速冲击损伤进行了研究，该模型对分层损伤的预测不够理想。这是由于分层损伤的发展更类似于断裂力学中裂纹的扩展方式，因此Li【4jJ，程起有等№1建立了2012年1月30日收到国家自然科学基金(10902040)和华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金(2012zzol02)资助‘通信作者简介：张晓晴(1974一)，副教授。研究方向：冲击动力学和复合材料力学。E-mail：搬I小∞g@8cuLedu．衄。以能量表征的失效准则，代替传统的应力(或应变)准则，来研究预测分层损伤的发展，但这种模

4、型需要事先假设初始损伤的位置。张彦¨】基于粘接域理论，通过在潜在分层区域放置界面单元，利用Abaqus软件模拟了复合材料层合板低速冲击作用下的分层损伤，然而其利用界面层的Mises应力等高线计算分层损伤面积，本质还是基于强度理论的失效准则。现针对复合材料不同形式损伤的特征，联合采用基于强度理论和粘接域理论的损伤模型，结合两种模型各自的优点，提出一种全新的损伤预测研究思路。1损伤分析模型总体来讲，复合材料层合板的低速冲击损伤模式可分为层内损伤(基体开裂、基体挤压破坏、纤维断裂等)和层间损伤(分层)。1．1层内损伤模型层内损伤的分析采用基于传统应力强度理论的预测模型。该模型

5、是以材料内部某点处的应力水平或一定区域的平均应力水平作为失效准则来判定损伤的产生。这就需要建立一套准确合理的损伤失效判定准则，如金属材料常用的Mises强度准则与剪切强度准则，复合材料的失效准则是在均匀各向同性和均匀各向异性材料强度理论的基万方数据12期刘玄，等：基于LS—DYNA的复合材料层合板低速冲击损伤研究2889础上，结合复合材料自身的特点，通过大量实验研究和理论研究逐步发展起来的。由于复合材料损伤破坏机理十分复杂，失效准则往往不具有普遍适用性，因此出现了许多失效准则，如Tsai．Hill失效准则、Tsai—wu失效准则、Hashin失效准则、Chang-Cha

6、ng失效准则等。对于出现损伤的区域。其材料力学性能下降，需要使用适当的材料刚度退化方式，对损伤区域的材料性能进行调整。1．2分层损伤模型大量研究结果表明，复合材料层合板的分层损伤仅在纤维铺设角度不同的两相邻子层之间的界面处产生、扩展【8J。因此，在可能发生分层的子层间引入一层厚度极薄界面单元，通过界面单元的失效破坏，可以真实有效地模拟预测分层损伤的产生，及其扩展过程。·如1图所示为一典型三维界面单元，它由连接对应的上下子层的两个表面构成[7】。由于界面层非常薄，初始界面单元的上表面和下表面对应节点问的距离非常小j其中局部坐标系e，为界面单元的厚度方向，该方向的界面力P。

7、与开裂模式I相关联；e：，e，为界面单元的两个面内相互垂直方向，其界面力P：，P3分别与开裂模式II，III相关联。三种裂纹尖端的开裂模式如图2所示，分别为：张开型、滑开型和撕开型。图1界面单元示意图界面单元的建立是基于粘接域(Cohve1．esizone理论。近年来，基于粘接域理论的预测模型越来越多地被应用于分析不

8、一j物体在粘结面处的开裂过程。该模型建立了发生层间裂纹处的界面力P；与界面上下表【Ai间相对位移最之间的联系。如图3为目前广泛应用的界面力一界面相对位移双线性简化翩轲甸张开型滑开型撕开型图2三种开裂模式示意图模型。可表示为P