复合材料低速冲击永久凹坑深度预测方法

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1、复合材料低速冲击永久凹坑深度预测方法PredictionofPermanentIndentationDepthofLaminateSubjectedtoLow—VelocityImpact北京航空航天大学航窄科学与：Ij程学院刘德博田甜关志东【摘要】基于赫兹接触定律，建立了复合材料层板低速冲击模型，在此基础上提出了复合材料层板冲击后永久凹坑的理论计算方法。通过对T700／5428和T300／5428两种材料层板低速冲击永久凹坑计算结果与试验结果的对比，证实了这种方法在较小冲击损伤情况下的可行性与有效性。通过这种方法，可以为复合材料冲击性能的预测提供一种参考。关键词：

2、复合材料低速冲击凹坑lABSTRACT】Amethodispresentedtocalculatethedepthofthepermanentindentationoflaminatesafterlow—velocityimpact．ItisbasedontheHertziancontactIaw,andusesthefiniteelementsimulationresultsofthelow—velocityimpact．Twotypicalmaterials，T700／5428andT300／5428，areanalyzedandacomparisonofthe

3、con—tactforcehistoryandpermanentindentationbetweenthecalculationsandimpacttestresultsisgivenwhichshowsthefeasibilityandeffectivenessofthismethodinthecaseofsmalldamage．Themethodcanprovideareferencetopredicttheperformanceofthecomposite．Keywords：CompositeLow-velocityimpactIn-dentation先进复合

4、材料具有比强度、比刚度大等优异的性能，在航空航天中应川越来越广泛。但在使用和维护过程中难免会遇到撞击，例如维修丁具掉落、轮胎溅起的碎石、冰雹撞出等。复合材料对外来物的冲击十分敏感，较小能量的冲击，就可以引起复合材料内部的损伤，其表面却没有明显的现象，损伤小易检测，造成{5L行隐患。复合材料民机机翼结构通常采用的强度设计准则中要求复合材料蒙皮壁板在含BVlD(日视勉强可检损伤)时能够承受100％DUL(设计极限载荷)。含BVID损伤试样的剩余压缩强度或破坏应变足复合材料损伤容限性能的重要表征。BVID主要考虑冲击后凹坑的深度，若能准确地预测复合材料的冲击后永久凹坑深度

5、，则可以对复合材料的性能进行比较准确的预测，为复合材料结构没计提供依据。本文在赫兹接触定律的基础_

6、二，建立了复合材料低速冲击损伤模型，并通过进一步理论计算确定冲击后的永久凹坑深度，通过与试验结果对比，证明在小损伤情况(赫兹接触定律的适用范同)下此方法的町行性与有效性。1永久凹坑深度计算方法在处理复合材料结构的低速冲击J’几】题时，接触力的计算通常采用基于静压痕试验的赫兹接触定律。此定律假定接触区域为圆形11-51(半径为a)，在区域内横向压力P的分布为：p=风『l_(州“，㈩由公式(1)的表达式，可以得到接触区域内压力分布见图1。F"oJ厂。飞厂Pr院图1接触区域

7、压力分布示意图Fig．1Distributionofpressureincontactarea对于接触Ix=域半径a的求解16-81)可参考图2，并由图中几何关系，可由下式给出：a=(2aRi一仅2)1陀(2)’图2底部刚性支撑的层板静压痕示意图Fig．2Quasi—staticindentationwithbottomclamped2011年第19期·航窄制造技术87学术论文R哑ARcHIl__I_____●■●r————————————————————————————————————————————————————————————————————————————

8、———————一一式中，。[为凹坑深度，R，为压头半径。表1T700／5428与T300／5428的材料属性考虑到通常情况下凹坑深度远小于压头半径的情况，公式(2)可简化为：a=(2aRf)1陀，(3)在冲击开始后的加载过程中，其冲击接触力可表示为(加载定律)19】：厂=kal’5，(4)式中a为凹坑深度，即压头与层板之间的压人位移。k为接触系数，它由试验确定，模拟计算时也可用下式给出：k2号饵丽面靠而丁，(5)式中尺。为压头半径，v，、E，为压头材料的泊松比和弹性模量，E为复合材料层板垂直于纤维方向的横向弹性模量。低速冲击中的卸载分为局部卸载和总体卸载。局部卸