碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究

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1、2017年4月第43卷第4期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2017V01．43No．4http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0846碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究彭亮，黄文博，毛伟，赵美英+(西北工业大学航空学院，西安710072)摘要：为了研究高应变率载荷对于碳纤维增强树脂基复合材料变形破坏行为的影响，通过应变率修正式对复合材料

2、的刚度与强度进行修正，建立了可考虑应变率效应的复合材料损伤数值模型，采用该模型对不同应变率条件下层板结构的面内破坏行为进行了模拟并与文献实验进行了对比分析。计算结果表明：本文所构建的数值模型可以有效预测树脂基层板结构在不同应变率条件下的破坏特征，并在材料刚度与强度硬化现象的预测方面有着较高精度；对于0。、90。铺层主导的试件，由于其力学性能近似为线性，数值模型在强度预测方面获得了较高精度；而对于4-45。铺层主导试件，其在不同应变率条件下表现出较强的非线性损伤特性，因此模型在其强度性能预测方面存在一定误差。关键词：复合材料；层板；应变率效应；Hashin

3、准则；损伤演化中图分类号：V214．8文献标识码：A文章编号：1001—5965(2017)04-0694—07纤维增强树脂基复合材料具有较高的比强度、比刚度等力学性能，已被大量应用于航空、航天、国防军工以及交通运输等领域。长期以来，对于该类材料在高速冲击条件下的响应特性的研究大多是针对层板结构面内特性，特别是作为力学性能主控材料的碳纤维与玻璃纤维材料的力学性能进行测试，并且发现上述2种纤维在不同应变率载荷作用下，其力学性能的率相关特性不明显‘1。21。然而随着近年来的深入研究发现，碳纤维增强树脂基材料的某些面内力学性能是由纤维与基体共同决定，且作为基体

4、材料的树脂存在明显的应变率效应，并且对于层板面内、面外力学性能有着较为明显的影响。以目前航空工业常用的T300、T800纤维／环氧树脂材料为例，Gilat等旧。对纯环氧树脂材料在低、中、高应变率条件下的拉伸力学特性进行了实验研究，其研究结果表明：在不同应变率载荷作用下树脂的失效应力水平并没有显著的变化，但其模量有着明显不同。随着加载速率的提高，材料模量有着较为明显的硬化趋势。在此基础上进一步研究了不同纤维铺设角度T300碳纤维层板在各应变率条件下的强度特性，发现随着应变率的增长，[±45。]。铺层试件的最大拉伸强度较00、900铺层试件有着非常明显的增长

5、，并认为这种增长的主要原因是由基体材料的应变率效应导致。而Hosur等”1采用实验方法研究了不同纤维铺设角度的碳／环氧树脂层板在变应变率条件下的压缩特性，并发现应变率不仅会影响板的强度与刚度，也会改变试件的破坏模式。Jadhav等。41对碳／环氧树脂层板在500～1500s“应变率载荷下响应进行了压缩实验研究，发现随着应变率的增长，层板结构的最大应力和最大应变都有明显的增长，且高应变率压缩载荷下，层板的最大应力、应变与纤维的铺设角度有收稿日期：2016—11433；录用日期：2016—12-02；网络出版时间：2016-12—2217：50网络出版地址：

6、WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20161222．1750．001．html基金项目：国家自然科学基金(11502205){通讯作者：E—mail：zhaomeiying@nwpu．edu．cn引用格式：彭亮，黄文博，毛伟，等．碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究￡】]．北京航空航天大学学报．2017．43(4)：694—700．PENGL，HUANGWB，MAOW，etal，Numericalstudyfordamageofcarbonfiberreinforcedresinmatrixlaminatesre

7、．1atedtostrainrateslJ]．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics．2017，43(4)：694．700(inChinese)．第4期彭亮，等：碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究695关。黄桥平等¨。采用分离式霍普金斯拉杆实验结果对T300／环氧复合材料层板的冲击性能进行了研究，针对材料的率相关问题，提出了一种考虑应变率效应的黏弹性本构模型，基于模型计算结果探讨了考虑应变率效应时复合材料层板在高速冲击有效时间内的应力(应变)分布、挠度随冲击速度的变化等动态响应

8、规律。王正浩等帕。则利用MTS实验机以及Hopkinson拉伸杆分别对2种铺设方