层间增韧复合材料层合板低速冲击损伤预测

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1、第45卷第5期2013年10月空航天大学学报UniversityofAeronautics&Astronautics层间增韧复合材料层合板低速冲击损伤预测谢宗蕻刘海涵张子龙(西北工业大学航天学院，西安，710072)V01．45No．50ct．2013摘要：基于层间增韧复合材料层合板的低速冲击实验，在ABAQUS分析环境下建立了一套量化考查低速冲击载荷作用下层间增韧对复合材料层合板力学行为影响的有限元分析模型。模型中采用自行开发的VUMAT子程序定义复合材料层内单元材料本构关系，预测典型的层内失效模式，包括纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体开裂失效和基体挤裂失效，并对失效单元进行相应的刚度折减。

2、模型中在复合材料层合板相邻两铺层间定义了一层层间界面单元，层间分层起始损伤是采用二次名义应力判据来预测的，层间分层扩展采用的是混合模式的能量准则来判断的。有限元预测结果和实验结果的比较验证了分析方法和分析模型的准确性和有效性。关键词：复合材料；层合板；层问增韧；低速冲击；有限元分析中图分类号：TB332文献标志码：A文章编号：1005—2615(2013)05—0686—07PredictiononLowVelocityImpactDamageofInterlayer-ToughenedCompositeLaminateXieZonghong，LiuHaihan，ZhangZilong(Sch

3、oolofAstronautics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an，710072，China)Abstract：Baseduponthedataandobservationfromthelowvelocityimpactexperimentoninterlayer—toughenedcompositelaminates，afiniteelementmodel(FEM)isdevelopedtoquantificationallystudythemechanicalbehaviorofinterlayer—toughenedlaminatess

4、ubjecttolowvelocityimpactusingABAQUS．Inthismodel．aVUMATsubroutineiSusedtodefinetheconstitutiverelationshipsandtopredictthestress—basedfailurecriteriaofacompositelamina．Typicalfailuremodes，includingfiberten—silefailure，fibercompressfailure，matrixcrushingandmatrixcracking，areconsideredinthesubrou—tine

5、．ThestiffnessreductionoffailedelementsiSalsoincluded．Cohesiveelementsareintrodueedintothemodelintheregionbetweentwoneighboringlayersinthelaminate．Aquadraticnominalstresscri—terionandapowerlawfracturecriterionareadoptedtopredicttheinitiationandevolutionofdelamina—tion．TheFEMpredictionresultsshowagood

6、agreementwithexperimentaldata，whichvalidatesFEMdevelopedinthisstudy．Keywords：composite；laminate；interlayer—toughened；lowvelocityimpact；finiteelementanalysis复合材料层合板具有比强度高、比刚度高、抗疲劳和可设计性强等众多优点，在对结构材料要求非常严格的航空航天等领域得到了广泛应用。复合材料层合板在使用中受到外来物体冲击后，会在层合板内部形成严重的冲击损伤，而层合板外部往往没有出现明显损伤痕迹，这种隐藏的冲击损伤，尤其是冲击导致的层合板层与层之

7、间的分离，会降低层合板结构的强度和刚度，从而抑制了该结构在工程中的应用。如何抑制复合材料层合板层间分层损伤、提高复合材料层合板的抗冲击损伤及抗分层能力，一直是复合材料结构设计与分析研究的热点，具有极为重要的意义。有关复合材料层合板冲收稿日期：2013一01—27；修订日期：2013—07—19通信作者：谢宗蕻，男，教授，博士生导师，E—mail：xzhae@nwpu．edu．erl。航呜京№甜南d