碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟

合集下载

开孔碳纤维复合材料层合板的拉伸失效有限元分析

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌꎻ ｔｅｎｓｉｌｅｆａｉｌｕｒｅꎻ Ｈａｓｈｉｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎꎻ ＶＵＭＡＴꎻ ｆｉｎｉｔｅ
ｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ
收稿日期: ２０２１－０６－０５
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( Ｎ２１２３０２８) ꎻ 河北省自然科学基金青年基金资助项目( Ｅ２０２１５０１０１１) .
行为. 通过对三种单元模型进行模拟ꎬ结果表明:开孔造成的应力集中会使层合板在拉伸过程中纤维与基体更
易失效ꎬ成为裂纹源ꎻ在层合板失效过程中ꎬ都呈现“ Ｘ形” 向“ 沙漏形” 失效发展趋势ꎬ最终沿宽度方向断裂ꎻ
实体模型模拟精度相比于传统壳单元、连续壳单元的偏高更接近实验数值ꎬ三种单元模拟极限失效载荷与实
ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｌｕｅ. Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｌｉｍｉｔｆａｉｌｕｒｅｌｏａｄｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｅｌｅｍｅｎｔｓｄｉｆｆｅｒｆｒｏｍｔｈｅ
ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｄａｔａｂｙ２６１％ꎬ ３１１％ꎬ ａｎｄ８６４％ꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.
提出了
响应. 综上ꎬ可以看出Ｈａｓｈｉｎ准则对于复合材料
参数化三维逐渐损伤模型ꎬ采用三维Ｈａｓｈｉｎ准则
的模拟效果较好ꎬ但目前学者利用Ｈａｓｈｉｎ准则进
载荷作用下的分层扩展行为. 王丹勇等
和直接折减退化材料属性来模拟含中心圆孔层合
板准静态拉伸失效. 吴悦雷
[５]
采用三维Ｈａｓｈｉｎ失
限承载能力. 但其应用的失效准则形式更接近于
三维情况下的Ｃｈａｎｇ－Ｃｈａｎｇ失效准则ꎬ且最后

基于Ls-Dyna软件2种材料模型的碳纤维复合材料层合板面内剪切有限元仿真

2020年12月第44卷第12期Vol.J4No.12Dec.202() MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERINGDOI：10.11973/jxgccl202012016基于Ls-Dyna软件2种材料模型的碳纤维复合材料层合板面内剪切有限元仿真孟宪明'，钟正S程从前2,曹铁山S赵杰2,黄亚烽-吴瑶2(1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300；2.大连理工大学材料科学与工程学院，大连116024)摘要：通过准静态单轴拉伸试验和面内剪切试验获取力学性能参数，采用Ls-Dyna软件中的纤维增强复合材料渐进损伤模型和复合材料层合板连续损伤模型模拟碳纤维复合材料层合板在面内剪切载荷作用下的力学响应和破坏模式，对比了2种模型的适用性。

结果表明：在面内剪切过程中的初始线弹性阶段,2种模型都能较好地模拟出碳纤维复合材料层合板的力学特性。

随着载荷的持续增大，渐进损伤模型的载荷-位移仿真曲线依旧呈线性上升，到达载荷峰值后迅速下降，与试验曲线存在很大偏差；连续损伤模型由于引入了损伤参数，当材料出现损伤后.其载荷-位移仿真曲线呈非线性，与试验曲线吻合良好。

关键词：碳纤维复合材料；连续损伤模型；渐进损伤模型；损伤参数中图分类号：TB332文献标志码：A文章编号：1000-3738(2020)12-0085-06Finite Element Simulation of In-plane Shear of Carbon Fiber ReinforcedPlastic Laminates with Two Material Models of LS-DYNA SoftwareMENG Xianming1.ZHONG Zheng2.CHENG Congqian2,CAO Tieshan2.ZHAO Jie2,HUANG Yafeng*,WU Yao2(1.China Automotive Technology&Research Center Co.,Ltd.,Tianjin300300,China；2.School of Materials Science and Engineering,Dalian University of Technology»Dalian116024,China)Abstract:The progressive failure model of fiber reinforced plastics and the continuous damage model of composite laminate of the Ls-Dyna software were applied to simulate the mechanical response and damage modes of carbon fiber reinforced plastic laminates under in-plane shear loads,with the mechanical parameters obtained by quasi-static uniaxial tensile and in-plane shear tests.The applicability of the two models was compared.The results show that in the initial linear elastic stage during in-plane shearing,the two models could simulate the mechanical characteristics of the carbon fiber r&nforced plastic laminates.As the load continued to increase,the loaddisplacement simulation curve obtained by the progressive failure model still rose linearly,and dropped rapidly after reaching the load peak；the simulation curve had a large deviation from the test curve.When the material was damaged,because of the introduction of damage parameters,the load-displacement simulation curve obtained by the continuous damage model was nonlinear,which was in good agreement with the test curve.Key words:carbon fiber reinforced plastic；continuous damage model；progressive failure model；damage parameter收稿日期：2020-08-05；修订日期：2020-11-27基金项目：国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项项目（2O16YFBO1O16O2）作者简介:孟宪明（1980—）,男，山东济南人，高级工程师•博士通信作者:赵杰教授0引言碳纤维复合材料（CFRP）作为一种比强度高、比刚度高、耐腐蚀性能较强的轻量化材料，广泛应用于汽车、航空航天、军工武器、高速动车等方面口切。

碳纤维增强铝合金板的抗冲击性能

料的优化提供合理依据。
１模型相关参数
１．１几何模型尺寸及加载情况
为了较好地同实验对比，试件几何尺寸与文献Ｅ５３相同。ＣＡＲＡＬ试件由２０２４一Ｔ３铝和碳／环氧树
脂胶片组成。其中碳／环氧树脂胶片（ＣＦＲＰ）铺层方向为０。和９Ｏ。，且沿中面对称，如图１所示。试件尺
因此这些优良的性能，ＦＭＬｓ在航天工程上得到了广泛的应用［４］。碳纤维增强铝合金板（ｃａｒｂｏｎｒｅｉｎ —
ｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｕｍｌａｍｉｎａｔｅｓ，ＣＡＲＡＬ）包含碳／环氧树脂层和铝合金层，但有望可以成为下一代的ＦＭＬｓ。碳纤维的高硬度具有非常有效的裂纹桥接、较低的裂纹扩展率和较好的抗冲击性。本文中针对ＣＡＲＡＬ受低速冲击问题，利用ＡＢＡＱＵＳ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ有限元分析软件，建立三维动态冲击模型进行数值模拟。应用Ｊｏｈｎｓｏｎ — Ｃｏｏｋ模型，Ｈａｓｈｉｎ损伤准则和ｃｏｈｅｓｉｖｅ粘结单元的损伤判据参与计算。通过与文献Ｅ５３中冲击载荷时间曲线进行对比，验证数值模拟的准确性，并对复合材料层的基体损伤，分层的产生和扩展以及试件吸能等情况进行分析，为准确评价此新型复合材料的冲击行为及材

基于ABAQUS的CCF300碳纤维层合板低速冲击破坏数值模拟

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｏｒｅｅｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｔｕｄｙａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｄａｍａｇｅｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｃａｒｂｏｎｉｆｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｍａｔｅｉａｒｌｓｕｎｄｅｒ
第３５卷第４期２０１７年８月
轻工机械
ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｖ０１．３５Ｎｏ．４
Ａｕｇ．２０１７
［研究・设计］
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－２８９５．２０１７．０４．ＯＯ６
材料层合板为对象，利用专业有限元仿真软件ＡＢＡＱＵＳ进行冲击破坏性能数值模拟研究。采用复合材料渐进损伤法，建
立ＣＣＦ３００碳纤维层合板在低速冲击载荷下的损伤和变形三维有限元模型。通过三维实体单元模拟层合板，利用内聚力接触模拟单层板间的接触，从而模拟层合板层内和层间的不同失效模式。使用ＦＯＲＴＲＡＮ语言编写ＡＢＡＱＵＳ材料用户子程序ＶＵＭＡＴ实现模拟，程序中包含本构方程的求解、损伤准则对单元失效的判定和损伤单元参数退化３部分，材
ｉｍｐａｃｔｌｏａｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｏｏｋｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｃａｒｂｏｎｉｆｂｅｒ（ＣＣＦ３００）／ｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎ（５２２８）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓａｓｔｈｅ

基于ABAQUS碳纤维树脂基复合材料抗冲击性能研究

科技风2019年1月DOI：10.19392/ki.1671-7341.2019021674理论研究___________________________基于ABAQUS碳纤维树脂基复合材料抗冲击性能研究陈鑫马士东刘升辉中国民航大学航空工程学院天津300300摘要：随着复合材料的工艺越来越成熟，其良好的物理性能，如比强度高、比刚度高、比模量高、耐腐蚀性好、结构重量轻等优良性能，得到了航空领域的一致认可。

但复合材料的抗冲击性能比较差，当其受到外来物冲击时可能造成严重的损伤，因此使研究成为了必要。

本文对有限元软件ABAQUS做了简要说明，并用其对碳纤维树脂基复合材料层合板的冲击进行建模模拟，对冲击后层合板失效性能做了简要分析。

关键词:碳纤维树脂基;复合材料；冲击;ABAQUS建模；失效分析复合材料是一种非均匀的混合物，具有多种分类。

其中纤维复合材料由于比重小，比强度和比模量大，而用量最大，应用最广。

最常见的形式之一是交错粘合的层合板，层合板是由一层层的纤维平行铺设后，再注入未固化的环氧树脂或其他基体材料，其中基体在纤维问起传递载荷的作用，使纤维能够承受压缩和剪切裁荷。

[1]1ABAQUS简介ABA_U5公司根据用户的反馈不断解决各种技术难题并改进软件，如今，ABAQUS软件已经逐步完善，从简单的线弹性静态问题到复杂的高度非线性问题，从单个零件的力学分析到多个庞大复杂系统的多物理场耦合分析，ABAQUS都能驾驭。

具体而言，ABAQUS除了能有效的进行静态和准静态分析、模态分析、瞬态分析、接触分析、弹塑性分析、几何非线性分析、碰撞和冲击分析、爆炸分析、屈曲分析、断裂分析、疲劳和耐久性分析等结构分析和热分析外，还能进行流固耦合分析、热固耦合分析、声场和声固耦合分析、压电和热固耦合分析、质量扩散分析等。

⑵2动态接触理论模型下面介绍两种接触理论模型，第一种由He:提出，该算法一般将冲击物看作刚体，不受外力冲击而变形，将受冲击板作为形变体，假设脉冲时间和压力峰值受冲击物的速度、质量和材料弹性性能的影响。

碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟

碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟朱亦钢;王晋;张子龙【摘要】为预测复合材料结构的冲击吸能效果,用三维有限元法模拟金属圆柱体冲击碳纤维层合板的过程.层合板被简化为三维正交各向异性材料板；采用Abaqus 提供的vumat等扩展编程接口,用FORTRAN编写程序表征材料的弹性、强度和累积失效,实现动态破坏过程仿真；计算结果与冲击试验结果具有可比性.Abaqus的显式分析方法结合编程接口可用于层合板的冲击吸能仿真,结果的准确性取决于用户建立的材料模型.对不同速度、质量和直径的金属圆柱体的冲击进行计算,结果表明在穿透情况下,随着圆柱体速度的增加,圆柱体的动能衰减增多,而系统动能的减少相对稳定,因此后者更适合于临界速度的计算.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2013(022)002【总页数】6页(P1-6)【关键词】复合材料;冲击;侵蚀;吸能;仿真模拟;有限元【作者】朱亦钢;王晋;张子龙【作者单位】北京航空材料研究院先进复合材料重点实验室,北京100095【正文语种】中文【中图分类】V258.3;TB115.10 引言连续纤维增强的复合材料由于强度高、重量轻而越来越多地应用在航空航天飞行器结构上，新结构设计时需评估飞行壳体和结构对外部或自身失效碎块撞击的抵御能力.物体的冲击破坏是在短时间内发生的动态过程，受到制件和冲击物的材质、形状以及撞击速度等因素影响，实物试验难以模拟各种情况.近年来，随着计算机模拟技术的发展，通过数值仿真方法可以计算出各种预设条件下的冲击过程和效果，从而大量减少实物试验.复合材料结构的冲击分析除考虑一般侵蚀过程所面临的各种影响因素外，还包括材料基体和增强体的不同性能、铺层的各向异性以及损伤失效方式的变化和作用等.虽然Abaqus具有较强的非线性力学计算能力［1-2］，但是对于冲击侵蚀等三维复杂问题，6.9版本的Abaqus/CAE前处理界面中也未提供直接建立模型的完整方法.计算时对材料模型采用平台提供的FORTRAN编程接口技术，冲击接触过程则需要编辑输入文件.1 层合板的低速冲击侵蚀本文研究所用的材料是由T300/3266按0°/60°/－60°等角度进行平面编织的织物并经多层叠放加压、液体方法(RTM)成型的复合材料层合板，试件外形尺寸100 mm×100 mm×10 mm，被金属圆柱体冲击破坏后的情况见图1.冲击物为直径15 mm，高度22.4 mm的钛合金圆柱体，钛合金相对密度为4.5，试验时层合板四边固定在支座上，圆柱体以超过穿透所需的速度垂直冲向层合板，形成如图1所示的破坏形貌.由于条件限制，无法准确得到冲击后圆柱体的速度.采用多试样法经过数个不同速度试样的冲击后，最终测得临界速度 V50为 175 ～195 m/s［3］，当超过临界速度时，圆柱体可以穿透层合板;当小于该速度时，圆柱体被阻挡回弹或嵌入层合板中.层合板在冲击过程中的破坏，先期主要为正面材料的剪切破坏，见图1(a);后期转为背面材料的拉伸断裂，见图1(b).层合板在受到冲击力作用时，材料内部的损伤模式一般归为纤维断裂，基体和层间的开裂、挤裂等.文献中的破坏准则有很多，包括各种不同形式的应力应变破坏准则和断裂力学准则，但目前为止还没有形成统一的认识.［4］2 计算仿真过程本文编织材料的性能未采用单向纤维的细观模拟，而是从解决工程问题角度直接应用编织材料静力学试样的试验数据作为基础材料数据进行计算.Abaqus的力学求解分为隐式和显式两种，对于快速冲击的模拟，适于采用动态的显式求解.图2 层合板与冲击物的模型Fig.2 Model of laminated plate and impact object首先，在模型工具中建立几何体，实体大小为100 mm×100 mm ×10 mm，包括圆柱体结构的模型(见图2).为控制网格划分，应用分区工具partition将几何体分成指定层数的片层，以适应定义不同铺层方向的情况.有限元网格采用三维八节点六面体单元，可选择完全积分C3D8或减缩积分C3D8R.计算表明减缩积分的影响不大，此处采用减缩积分的单元.图3 纤维增强材料模型的方向Fig.3 Direction of fiber-reinforced material model然后建立确定材料方向的局部参考坐标系，纤维增强材料模型的方向见图3.在参考坐标系上定义1方向为编织的经线零度纤维方向;2方向在铺层的面内，与1方向垂直;3方向为厚度方向.Abaqus/CAE中定义层合板材料时，在材料编辑界面材料属性区的general中给定材料密度，再选择 User Material，Depvar以及 User Defined Field，3 个选项分别对应于用户程序vumat的应力计算、积分点的材料状态变量以及获取材料信息的vusdfld程序.由于在vumat中给出的应变是分析步的增量值，当采用应变确定材料损伤时，需通过vusdfld调用接口函数vgetvrm获取总应变量.材料损伤演化过程的简化模型见图4.图中，OA为损伤前载荷增加时的弹性变形阶段;载荷加到A点时达到破坏临界点，继续变形产生损伤破坏;AC段为损伤发展阶段，材料损伤D引起刚度K下降，表现在AC上B点位置的卸载，应力、应变沿OB方向变化，部分纤维的损伤导致模量下降;C点代表材料损伤发展到已完全失效，不能继续承受任何载荷，此时可以选择单元移除.碳纤维层合板在损伤前常表现出较好的线弹性，碳纤维层合板的力学性能参数见表1，表中数值多来源于文献［5］，表中下标t和c分别代表拉伸和压缩;f指增强纤维.图4 材料损伤简化模型Fig.4 Simplified model of material damage表1 碳纤维层合板的力学性能参数Tab.1 Mechanical property parameters of carbon fiber laminated plate?将表1中工程弹性常数变换为张量形式的刚度矩阵，建立层合板的弹性应力-应变关系对于正交材料，刚度矩阵系数与工程常数有以下关系式中:显式计算程序中的剪切模量Gij是张量参数，为工程剪切模量的2倍，与隐式计算刚度矩阵的定义不同.表征复合材料在冲击过程中的4种损伤失效方式分别为:纤维受拉伸时断裂;纤维在压载荷下屈曲和弯折;在横向拉力和剪力作用下的基体开裂;在横向压力和剪力作用下的基体挤裂.损伤起始判据［2，5］可写为表示纤维断裂:表示基体开裂，面内横向拉断:表示基体挤裂，面内横向受压:对于三维问题，可以采用层间剪切和单向材料的横向数据近似代表3个方向上的层间剪切、基体开裂和挤裂，性能数据见表1.材料数据的输入途径有两种，一种定义在交互界面的材料属性中，计算时由软件将其传递到用户程序的prop数组;另一种可以采用parameter语句直接写在用户程序中.用户子程序vumat是针对显式计算 Abaqus/Explicit的材料模型程序，相当于Abaqus/Standard的umat，程序定义形式为:subroutine vumat(nblock，ndir，nshr，nstatev，nfieldv，nprops，lanneal，stepTime，totalTime，dt，cmname，coordMp，charLength，props，density，strainInc，relSpinInc，tempOld，stretchOld， defgradOld，fieldOld， stressOld， stateOld，enerInternOld， enerInelasOld，tempNew， stretchNew，defgradNew，fieldNew，stressNew，stateNew，enerInternNew，enerInelasNew)通过vumat，用户可以定义计算中的材料本构关系，包括损伤失效过程中的性能退化等.方法是根据当前分析步中的真实应变增量，确定材料点的应力，即式中:Dt为材料点的瞬时模量;σt为时间t的应力，对应变量stressOld;Δε为时间增量Δt过后应变的增量，对应变量strainInc;σt+Δt为时间增量Δt过后新的应力，对应变量Stress New.可定义项 enerInelasNew，enerInternNew 和stateNew分别为材料积分点的非弹性耗散能、内能和状态.内能和弹性耗散能可用于分析计算，但不会影响力学计算结果;其他数据项均为只读，是计算中使用的条件状态，具体可参考软件用户子程序部分的帮助文件.strainInc是分析步中的应变增量，通过它可以确定应力增量，从而确定当前应力.但如果计算需要总应变而不只是应变增量，如材料为非线性或发生损伤后的情况在vumat的变量表中没有显示，这时可通过变量查询的应用程序接口vgetvrm获取计算参数，调用形式如下call vgetvrm(‘VAR’，rData，jData，cData，jStatus)变量关键字VAR代表所指定的变量，如代表真应变的关键字是‘LE’;后面几项是具体的数值输出数组，分别用于实型、整形、逻辑标示字符和返回状态等.该函数的调用应在vusdfld子程序中完成，在vusdfld中通过vgetvrm得到的应变数据可用于确定状态变量stateNew.创建分析步时，对话框中选择动态显式分析类型“Dynamic，Explicit”;定义输出变量时，若不希望显示失效单元则选中STATUS.前处理软件Abaqus/CAE定义的接触面只能是物体外表面，外表面接触在冲击开始后材料未发生完全破坏前的计算正确.一旦接触力导致接触点附近的材料完全失效，单元不能继续承载，使得计算中定义的接触表面随之破坏，继续前进的圆柱体前方不再有接触约束.为此，需要定义包括内部单元表面的接触，当表面单元失效时，内部单元成为新的接触面，与圆柱体产生约束作用.但这种定义在当前版本的Abaqus/CAE对话界面中还不能实现，Abaqus/CAE界面中的关键词编辑器也不支持，必须在inp文件中直接定义包括内部单元的接触面.本文在Abaqus/CAE中定义板的单元集合ElemSet，然后在任务模块中先生成inp文件，再修改生成的inp文件，定义包括所有外表面和内表面的接触面surf.接触面的定义形式如下:*Surface，type=ELEMENT，name=Surf，ElemSet，interior其中:ElemSet为之前定义的单元集合名;interior指定这个集合单元中的内表面;Surf为定义的所有接触面集合的名称，关键词下的第一行数据为空，表示包括所有外表面.之后在inp文件的接触定义中将Surf设为接触面，接触定义形式如下:＊＊Interaction:Int-1*Contact，op=NEW*Contact InclusionsSurf*Contact property assignment，，IntProp-1与试验时的情况对应，边界条件采用四边固定的约束.对于动态的显式求解，没有约束时计算也能收敛，表示层合板可以自由移动，计算的结果会有所不同.在载荷模块的预定义场中确定冲击物体的初始速度，因冲击物设置成刚体，故可以将初始速度定义在刚体参考点上;对于弹性的圆柱体则定义所有圆柱体单元的速度. 定义任务和提交计算.此处提交的是经过编辑的inp文件，且在任务编辑界面中给出用户子程序的路径.3 计算结果与讨论钛合金圆柱体冲击复合材料层合板仿真结果见图5，图中失效的单元已被删除.冲击侵蚀的渐进过程见图6，可见冲击初期材料的破坏以剪切为主，之后是背面材料拉断的破坏形式，与通常的观察和分析一致.［5-6］图5 钛合金圆柱体冲击复合材料层合板仿真结果Fig.5 Simulation result of titanium alloy cylinder impact on composite material laminated plate在临界速度下，圆柱体的最终速率会逐渐下降到0或发生回弹，用显式方法直接模拟该速度下的冲击过程不易确定临界值，但可以计算略高于临界速度的冲击.由冲击穿透的剩余速度通过能量方法计算得到等效的临界速度式中:v50，v0和vf分别为运动圆柱体穿透的临界速度、接触之前的初速度和穿过之后的终速度.当圆柱体以200 m/s初始速度冲击层合板时，最终剩余速度为75 m/s，由吸收的动能可换算出相应的临界速度v50为185 m/s.由于试验的个体差异，空气炮冲击试验结果为177～195 m/s［3］，计算结果与试验结果相当.系统动能曲线见图7.图7 系统动能曲线Fig.7 Kinetic energy curve of system应用上述程序和方法，计算不同速度、质量和直径的圆柱体的冲击，冲击计算结果见表2.表2 冲击计算结果Tab.2 Calculation results of impact圆柱体尺寸/mm初速度V0/(m/s)终速度Vf/(m/s)临界速度V50/(m/s)总动能E0/J冲后动能Et/J动能损耗ΔE/J临界速度V50E/(m/s)Φ15 ×22.4 400 313.3 248.7 1 408.8 1 048.0 360.8 202.4 Φ15 ×22.4 350 266.8 226.5 1 078.6 767.0 311.6 188.1 Φ15×22.4 300 208.3 215.9 792.0 491.0 301.0 184.9 Φ15 ×22.4 250 140.9 206.5 550.0 230.0 320.0 190.7 Φ15 ×22.4 200 75.6 185.2 352.0 76.0 276.0 177.1 Φ15 ×22.4 150 －11.7 198.0 2.8 195.2 Φ15 ×11.2 300 126.5 272.0 396.2 131.8 264.4 245.1 Φ15 ×5.6 300 －33.1 199.8 12.6 187.2 Φ7.5 ×22.4 300 171.1 246.4 198.1 92.4 105.7 219.1在较高的速度下，圆柱体的初始动能较大，穿过层合板后，能量的衰减也相对较多.因此，用式(7)进行临界速度验证计算时，选择的V0应接近V50.但从计算出的系统动能看，层合板的损伤吸能为相对稳定的量，Ef与Vf的能量差异为部分动能传到层合板和层合板的碎块上.用整个系统的能量变化计算临界速度式中:E0和Ef分别表示冲击前、后的动能.表2前5行数据中，由系统能量得出的v50E平均值为188.6 m/s.表2中，当冲击能量较低时，冲击物未穿透被弹回，因此最终速度为负值.在相同速度下，冲击圆柱体长度缩短、质量减小时，穿透所需的速度增加.圆柱体的直径减小到7.5 mm，质量也随之减小时，穿透所需的速度虽然也增加，但与相同动能的圆柱体Φ15 mm×5.6 mm相比，在层合板上的损耗较小，v50增加量也相对较小.Abaqus针对复合材料提供唯一的材料失效模型是Hashin方法，该模型只适用于厚度方向没有变化的壳单元，不能用于三维实体.尽管后期版本的Abaqus/CAE为复合材料铺层提供较好的正交材料层合功能，但合成后的材料同样也不支持三维单元的显式求解，需要使用软件提供的FORTRAN接口vumat，由用户子程序定义材料，再在每层单元中设定材料各自的铺层方向.本文的层合板由三轴角度0/60°/－60°的二维编织物在同一方向铺放层压而成，每层之间没有铺层方向的变化，可将层合板整体简化为正交各向异性材料.在此基础上，厚度方向的单元网格划分可越过层间边界，不受层数限制.对于不同方向铺层的单向材料，本文的计算过程依然适用，只是单元网格划分要顾及每层边界，并对每层材料定义各自的材料取向，铺层方向的一次改变至少对应一层网格，单元层数的增加需要较多的计算机资源.在大型有限元分析中，计算成本对网格细分的制约不可避免.对于显式求解，网格细分不仅使单元数量增多，导致计算时间和内存消耗增加，还使稳定时间增量减小，分析相同时间段所需的计算次数增加.稳定时间Δt与最小单元尺度Lmin和波速Cd的关系为显然，层合材料在厚度方向上的小尺度细分将导致运算成本的大幅提高.分析软件的前处理界面未对冲击侵蚀提供完整的处理功能，Abaqus/CAE的选项还不能完成所有前处理工作.复合材料需通过用户程序接口定义材料模型，过程较繁琐.本文模拟计算的方法过程所采用的部分数据是资料中同类材料的典型值，材料数据的准确性必然影响到计算结果的准确性.纤维剪切性能，材料强度及强度理论，损伤后模型，温度及速率等因素都会影响计算的准确性，需深入研究.4 结束语研究用Abaqus模拟非各向同性的编织层压厚板冲击侵蚀三维有限元方法，通过用户程序编写材料模型，分析冲击破坏过程.结果表明:用Abaqus可以对冲击侵蚀问题进行数值仿真，计算结果与试验具有可比性.但当前版本软件的交互界面尚不能完成侵蚀问题的分析，需要进行inp输入文件的编辑操作.模拟复合材料冲击侵蚀，需要一定的扩展编程;同时，准确的仿真求解还需要材料数据表征精准以及模型的深入研究.对不同冲击速度的计算结果显示，同为穿透的情况下，随着速度的增加，冲击物体的动能衰减会增多.整个系统动能的衰减量相对比较稳定，更适于计算临界速度;不同质量和直径的模拟计算结果的趋势符合预期.参考文献:【相关文献】［1］石亦平，周玉蓉.Abaqus有限元分析实例详解［M］.北京:机械工业出版社，2006:2.［2］庄茁，由小川，廖剑辉，等.基于Abaqus的有限元分析和应用［M］.北京:清华大学出版社，2009:8.［3］王晋，纪双英，朱亦钢，等.两维三轴编织结构复合材料的弹道冲击性能研究［J］.新材料产业，2011(5):59-62.WANG Jin，JI Shuangying，ZHU Yigang，et al.Study on ballistic curve impact performance of 2D triaxial knit structure composite material［J］.Adv Mat Industry，2011(5):59-62.［4］李树虎，陈以蔚，彭刚，等.树脂基复合材料抗弹性能数值模拟［J］.材料工程，2009(S2):113-118.LI Shuhu，CHEN Yiwei，PENG Gang，et al.Numerical simulation for ballistic performance of resin matrix composites［J］.J Mat Eng，2009(S2):113-118.［5］ROBERTS G D，GOLDBERG R K，BINIENDA W K，et al.Characterization of triaxial braided composite material properties for impact simulation［R］.Cleveland，Ohio:NASA，2009.［6］王晓强，朱锡，梅志远.纤维增强复合材料抗侵彻研究综述［J］.玻璃钢/复合材料，2008(5):47-56.WANG Xiaoqiang，ZHU Xi，MEI Zhiyuan.The development of fiber-reinforced composites under ballistic impact［J］.Fiber Reinforced Plast Composites，2008(5):47-56.。

基于扩展有限元的碳纤维复合材料裂纹扩展仿真

基于扩展有限元的碳纤维复合材料裂纹扩展仿真韩少燕门静韩海燕（西安交通大学城市学院，陕西西安 710018）引言碳纤维复合材料以其良好的力学性能被广泛的应用于汽车、航空航天等领域[1]。

碳纤维层合板在实际使用过程中容易受到冲击载荷产生大变形弯曲，导致局部产生应力集中与应变从而引起材料损伤，例如基体开裂、纤维断裂后或者层间分层等，材料损伤扩展会进一步导致力学性能降低，从而导致材料失效最终结构失效。

扩展有限元通过引入富集函数来修正传统有限元的近似位移函数，以描述间断界面，使间断的描述独立于有限元网格，避免了计算过程中的网格重构[2]。

本文采用扩展有限元法模拟了碳纤维复合材料层合板在弯曲载荷作用下的开裂过程，以预测材料抵抗外力损伤的性能。

1、扩展有限元扩展有限元是以美国西北大学Belytschko 教授为首的研究组于1999年提出的一种求解不连续问题的数值方法，该方法可有效的求解强和弱不连续问题[2-3]。

扩展有限元的基本原理是基于单位分解法在传统有限元位移模式中加入特殊函数（加强函数），从而反应不连续性的存在，不同类型的不连续问题，只是加强函数不同而已。

1.1单位分解法单位分解法是Melenk 和Bubska 及Duarte 和Oden 于1996年先后提出的。

对于求解区域Ω，单位分解法用一些相互交叉的子域ΩI 来覆盖，每个子域都与一个函数()I ϕx 相联系。

函数()I ϕx 仅在ΩI 内非零，且满足单位分解条件()1I Iϕ=∑x (1)Duarte 和Oden 用K 阶移动最小二乘近似函数来构造单位分解，即1()()[()]mh k I iI i Ii b q ϕ==+∑∑ u x x u x (2) 其中：()i q x 可以是单项式基。

系数是未知量，可以通过Galerkin 法或配点法求解。

为了提高逼近精度，或满足对待定问题的特殊逼近要求，也可以包含其他一些形式的函数（称之为加强基函数）。

碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟

碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟
## 背景
碳纤维层合板(CFRP)具有良好的抗碰撞性能，是近年来用于汽车安全带以及航空航天结构的重要材料。

它具有轻质、坚固、耐腐蚀等优点，因此在传统汽车安全带驱动方面受到了广泛的应用，从而改善了汽车的安全性能。

此外，在航空航天结构领域，由于其轻量、耐压性能好等优点，因此也受到了很多关注。

碳纤维层合板也常用于与结构强度有关的冲击吸能研究中。

## 方法
本研究采用有限元技术，对单层CFRP板在冲击力下的吸能特性进行模拟，主要考察碳纤维夹层结构、碳纤维层合板厚度及吸能模态算法等因素对吸能性能的影响。

首先，用有限元软件ANSYS设计单层CFRP板的模型，以及尺寸、材料的指定，建立多问题，采用ANSYS有限元分析应对吸能性能研究中的三种典型模态—消能、缓冲及滞回模态。

## 结论
研究表明，单层CFRP板厚度及层合结构对吸能性能有显著影响，板厚越厚，吸能行为越显著。

碳纤维夹层结构也能明显提高吸能性能。

此外，研究还发现，随
着夹层层数的增加，板材对冲击力的吸能性能也会不断提升，直至达到极限。

最后，混合模态的冲击吸能行为在碳纤维层合板中也被发现，混合模态吸能行为在碳纤维夹层结构中有更好的表现。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

碳纤维层合板冲击吸能有限元模拟
朱亦钢，王晋，张子龙
（北京航空材料研究院先进复合材料重点实验室，北京１０００９５）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
摘要：为预测复合材料结构的冲击吸能效果，用三维有限元法模拟金属圆柱体冲击碳纤维层合板
ｓｕｃｈａｓｖｕｍａｔ．ａＦＯＲＴＲＡＮｐｒｏｇｒａｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ，ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｆａｉｌｕｒｅＳＯａｓｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｄｙｎａｍｉｃｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｇｒｅｓｓ；ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｉｍｐａｃｔ
ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｃｏｍｐａｒａｂｌｅ．ＴｈｅｅｘｐｌｉｃｉｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｏｆＡｂａｑｕｓｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｐｒｏｇｒａｍｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｃａｎ
ｃｖｌｉｎｄｅｒｏｎｔｈｉｃｋｃａｒｂｏｎｉｂｆｅｒｌａｍｉｎａｔｅｄｐｌａｔｅｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙ３Ｄｉｆｎｉｔｅｄｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｌａｍｉｎａｔｅｄｐｌａｔｅｉｓｓｉｍｐｌｉｉｅｆｄａｓ３Ｄｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｍａｔｅｒｉａｌｐｌａｔｅ；ｂｙｔｈｅｅｘｔｅｎｄｅｄｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｏｆＡｂａｑｕｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｉｍｐａｃｔｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｍｅｔａｌ
关键词：复合材料；冲击；侵蚀；吸能；仿真模拟；有限元
中图分类号：Ｖ２５８．３；ＴＢ１１５．１文献标志码：Ｂ
Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｉｍｐａｃｔｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆ
的过程．层合板被简化为三维正交各向异性材料板；采用Ａｂａｑｕｓ提供的ｖｕｍａｔ等扩展编程接口，用ＦＯＲＴＲＡＮ编写程序表征材料的弹性、强度和累积失效，实现动态破坏过程仿真；计算结果与冲击试验结果具有可比性．Ａｂａｑｕｓ的显式分析方法结合编程接口可用于层合板的冲击吸能仿真，结果
的准确性取决于用户建立的材料模型．对不同速度、质量和直径的金属圆柱体的冲击进行计算，结
果表明在穿透情况下，随着圆柱体速度的增加，圆柱体的动能衰减增多，而系统动能的减少相对稳
定，因此后者更适合于临界速度的计算．
ｃａｒｂｏｎｉｂｆｅｒｌａｍｉｎａｔｅｄｐｌａ
ＺＨＵＹｉｇａｎｇ，ＷＡＮＧＪｉｎ，ＺＨＡＮＧＺｉｌｏｎｇ
（ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）
。
文章编号：１００６ — ０８７１（２０１３）０２ — ０００１ — ０６
Ｎｍｅ．￣ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ￣ｎｄＣＡＥＡ１ｇｏ，ｔｈｎｉ
第２２卷第２期
２０１３年４月
计算机辅助工程
ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏ１．２２Ｎｏ．２Ａｐｒ．２０１３
工程数值仿真与＝ＣＡＥ算法量０－－ｌｌ曩ｌｌ誊