复合材料整体化加筋壁板高速冲击损伤数值模拟

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1、航空学报ActaAerOnautjcaetAstrOnauticaSinicaFeb．252012V01．33No．2258．272ISSN1000．6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2012)02—0258—15复合材料整体化加筋壁板高速冲击损伤数值模拟古兴瑾，许希武*南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室，江苏南京210016摘要：以复合材料结构抗弹性能分析与设计为目的，根据纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设，推导了复合材料单向板的粘弹性本构关系，导出了高应变率下复合材

2、料层板的一阶剪切理论，建立了复合材料整体化加筋壁板高速冲击有限元分析模型。该模型引入界面单元模拟复合材料层间分层以及筋条与壁板间的脱粘损伤，结合Hashin失效准则进行筋条和单层板面内损伤识别，引入材料刚度退化，采用非线性有限元方法，研究了复合材料加筋结构高速冲击的破坏过程及损伤特性。数值分析结果与实验结果吻合良好，证明了该方法的合理有效性。探讨了筋条参数对高速冲击损伤的影响规律，获得了一些有价值的结论。关键词：复合材料；本构模型；加筋壁板；冲击；损伤；数值分析中图分类号：V258．3；0385文献标识码：A随着军事科学技术的发展，新型导弹和地面火炮等对空武器的杀伤力不断提高，现代军机

3、在飞行和战斗中面临的威胁越来越大，为了避免弹击后结构出现毁灭性的破坏，从而提高飞机的生存力，需要对结构进行抗战伤设计。结构高速冲击损伤的研究是结构抗战伤设计的基础，是结构生存力研究的重要内容，以前这方面的研究主要针对金属材料，然而，由于复合材料在飞机结构中的大量应用，关于复合材料高速冲击损伤的研究逐渐被学者们重视。近年来，针对复合材料层板高速冲击问题的理论分析模型[1。2]和数值仿真模型[3。6]比较多，但对复合材料加筋结构的研究却鲜有报道，主要有两方面的原因：一方面，复合材料动态力学性能影响因素多，本构模型研究[7。1叩尚不完善，加之细观结构形式复杂，壁板和筋条的有限元建模复杂；另一

4、方面，为了避免铆接工艺对增强纤维的破坏，导致复合材料性能得不到充分发挥，在现代飞机结构中，复合材料加筋壁板多采用整体化结构形式，筋条和壁板采用共固化一次成型。因此，在复合材料加筋壁板高速冲击数值分析中，筋条与壁板间的破坏模拟存在较大困难。本文在粘弹性本构模型的基础上，推导了考虑应变率效应的一阶剪切层板理论，并将其用于复合材料筋条的有限元模拟，采用三维实体单元模拟复合材料壁板，通过界面单元模拟壁板与筋条间的破坏过程，建立了复合材料整体化加筋壁板高速冲击的数值分析模型，开展其弹道性能和损伤特性研究，探讨了筋条参数对高速冲击损伤的影响规律，获得了一些有价值的结论。收稿日期：2011—05—1

5、6；退修日期：2011·07—07；录用日期：2011一08-23；网络出版时间：2011．08-3113：20网络出版地址：WWW．cnki，net／kcms／detail／11．1929．V20110831．1320．005．htmIDOI：CNKI：11—1929／V．20110831．1320005基金项目：国家自然科学基金(10672075)*通讯作者Tel．：025—84891781E-mail：XWXU@nuaa．educn引用褡武iGuXJ，XuXw．Numericalsimulationofdamageinstiffenedintegralcompositepanel

6、sunderhighvelocityimpact．ActaAeronau—ticaetAstronauticaSinica．2012．33(2)：258—272．古兴瑾．许希武复合材料整体化加筋壁板高速冲击损伤数值模拟．航空学报．2012．33(2)：258-272．古兴瑾等：复合材料整体化加筋壁板高速冲击损伤数值模拟1材料模型1．1材料主方向上的应力一应变关系纤维增强复合材料动态力学性能与组分材料的动态力学性能有密切关系，根据现有的研究结果[II12]，假设纤维是横观各向同性线弹性材料，基体是各向同性粘弹性材料，分别采用图1所示的线弹性单元和粘弹性单元模拟，应力一应变关系可以表示为田

7、一Efe(1)f't盯。(f)一IE，(f—r)edr(2)√0式中：下标“f”和“m”分别表示纤维和基体；Er为纤维的弹性模量；E，为基体的松弛模量，可以通过常应变下的松弛试验测得。在常应变下，E。(f)可表示为1tEl3tE2E，(￡)一E。+E1e_1+E2e也(3)式中：E。为基体准静态下的弹性模量；E。、E。和叩，、啦为Maxwell体中的弹性系数和阻尼系数。(a)Linear-elasticelement(b)Visco—elast