航空復(fù)合材料薄壁殼體高速?zèng)_擊損傷特性仿真研究＊

韓志杰，劉振宇

（河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018）

目前，航空復(fù)合材料通常以薄壁結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)，比如飛機(jī)的機(jī)翼、尾翼、機(jī)身蒙皮、隔框等諸多部位。航空復(fù)合材料的薄壁殼體為鋪層結(jié)構(gòu)，鋪層結(jié)構(gòu)的層間載荷主要是由基體傳遞。當(dāng)薄壁殼體受到外部高速?zèng)_擊后，會(huì)出現(xiàn)基體開裂、纖維斷裂、面板分層或者棉芯脫粘等各種結(jié)構(gòu)損傷，這些損傷是對結(jié)構(gòu)的毀滅性破壞[1-3]。因此，研究高速?zèng)_擊下復(fù)合材料薄壁殼體損傷尤為重要。

近年來，針對復(fù)合材料層板高速?zèng)_擊損傷問題的研究[4-6]比較多，對復(fù)合材料層板沖擊理論分析和數(shù)值仿真分析[7-9]也有較多報(bào)道?，F(xiàn)有的高速?zèng)_擊損傷研究主要是針對復(fù)合材料層合平板的研究，對復(fù)合材料加筋板的高速?zèng)_擊損傷研究還沒有文獻(xiàn)報(bào)道。為了提高薄壁結(jié)構(gòu)的整體剛度，通常在薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)層增加加強(qiáng)筋，也可以加強(qiáng)層合板結(jié)構(gòu)的薄壁復(fù)合材料的穩(wěn)定性和使用能效[10]。但是，薄壁結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響因素比較多，加強(qiáng)筋對壁板有限元建模復(fù)雜，致使薄壁結(jié)構(gòu)復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊豎直分析存在較大困難。本文通過建立具有加強(qiáng)筋的薄壁殼體復(fù)合層板有限元分析模型，在沖擊柱體高速?zèng)_擊作用下，研究了不同結(jié)構(gòu)形式下薄壁殼體復(fù)合層板高速?zèng)_擊后的速度損耗和漸進(jìn)損傷性能。

1 復(fù)合材料薄壁殼體有限元模型分析

本文將采用非線性有限元方法，對利用航空復(fù)合材料的尾翼部件薄壁殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，通過建立薄壁殼體及加筋結(jié)構(gòu)沖擊損傷有限元分析模型，施加高速?zèng)_擊載荷，分析不同狀態(tài)下加筋薄壁殼體的抗彈性和高速?zèng)_擊損傷特性，基于此來探討薄壁殼體幾何參數(shù)對損傷特性的影響。

2 薄壁殼體的相關(guān)情況

2.1 薄壁殼體結(jié)構(gòu)及組成

試驗(yàn)研究對象為某航空運(yùn)輸機(jī)中尾翼部分，其采用加筋殼體的復(fù)合材料，型號為CCF300/5228A。該復(fù)合材料為多層無卷曲織物編織以鋪層方式纖維纏繞成型，鋪層順序?yàn)閇45°/0°-45°/90°/0°2/45°/0°/-45°/0°]2s。該加筋殼體的形狀和設(shè)計(jì)的幾何尺寸如圖1和圖2所示。

圖1 加筋薄壁殼體結(jié)構(gòu)

圖2 加強(qiáng)筋

2.2 薄壁殼體的單元類型及參數(shù)

基于ABAQUS有限元軟件，建立航空復(fù)合材料薄壁殼體加筋板有限元模型。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用8節(jié)點(diǎn)一階減縮積分體單元（C3D8R），并且在單層板層間引入界面單元，用于模擬層合板層間分層。材料參數(shù)如表1和表2所示。

2.3 殼體與加強(qiáng)筋連接單元

在傳統(tǒng)工藝中，在金屬材質(zhì)薄壁殼體表面增加筋板，通常采用焊接或鉚接的方式將壁板與筋條連接起來。然而，在復(fù)合材料層合板中，如果鉚接，會(huì)破壞層間連續(xù)纖維，影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能；如果焊接，很難使壁板與筋條接觸面之間的材質(zhì)完全融合，會(huì)影響加筋效果。因此，在航空材料中，在薄壁殼體上，加強(qiáng)筋常采用共固化一體成型的方式增加，這種方式獲得的筋條與殼體之間的連接與復(fù)合材料多層連接近似，可采用界面單元模擬筋條與殼體之間連接。通過對界面單元的分析，并結(jié)合筋條材質(zhì)的實(shí)效準(zhǔn)則，用于模擬加強(qiáng)筋與殼體之間的脫粘過程。

在薄壁殼體有限元模型中，加強(qiáng)筋與殼體之間采用共點(diǎn)方式處理，可以保證界面點(diǎn)位移的連續(xù)性。由于加筋板部分結(jié)構(gòu)尺寸相對于薄壁殼體尺寸比較小，為了便于計(jì)算，采用4節(jié)點(diǎn)一階減縮積分殼單元（S4R），界面單元采用8節(jié)點(diǎn)COH3D8。

表1 基體材料性能參數(shù)

表2 單層板性能參數(shù)

3 損傷、損耗分析

3.1 加筋薄壁殼體速度損耗分析

薄壁殼體壁厚為5 mm，加強(qiáng)筋尺寸采用圖2中給定尺寸，復(fù)合材料的薄壁殼體與加強(qiáng)筋固化為一體，作為被沖擊對象。沖擊對象采用端部為半圓球形的剛性圓柱體，直徑為8 mm，初始速度設(shè)定為200～1 000 m/s，高速?zèng)_擊的數(shù)值模擬。為了研究加強(qiáng)筋對薄壁殼體的降速影響，設(shè)定圓柱體沖擊位置在加強(qiáng)筋正上方中點(diǎn)位置。

圖3給出了高速?zèng)_擊后薄壁殼體和加筋后的薄壁殼體對沖擊彈體的速度損耗對比。分析發(fā)現(xiàn)，增加了加強(qiáng)筋的薄壁殼體，當(dāng)沖擊點(diǎn)在加強(qiáng)筋上時(shí)，對高速?zèng)_擊下的速度損耗有一定程度提高，但是提高的幅度隨著速度的增加而逐漸降低。當(dāng)初始速度處于較低狀態(tài)時(shí)，加強(qiáng)筋對高速?zèng)_擊薄壁殼體的速度損耗較大，甚至可以達(dá)到40%，當(dāng)初始速度達(dá)到700 m/s以上，幾乎沒有影響。由此可見，通過加強(qiáng)筋來限制復(fù)合材料薄壁殼體的沖擊損傷，只能應(yīng)用于低速?zèng)_擊狀態(tài)下，這種方式在高速?zèng)_擊狀態(tài)下的作用會(huì)逐漸減弱。

圖3 加筋薄壁殼體速度損耗分析

3.2 薄壁殼體的漸進(jìn)損傷分析

具有加強(qiáng)筋的薄壁殼體在高速?zèng)_擊作用下，會(huì)對整體復(fù)合層板產(chǎn)生宏觀上的基體損傷，損傷形式包括纖維斷裂、基體壓潰、基體微裂紋和壁板脫粘等，這些損傷的存在會(huì)影響構(gòu)件的剩余強(qiáng)度。

研究對象：薄壁殼體厚度為5 mm，沖擊柱體直徑為8 mm，沖擊速度為500 m/s，沖擊位置設(shè)定在相鄰兩加強(qiáng)筋中間的殼體表面。圖4給出了薄壁殼體在柱體高速?zèng)_擊下4種破壞形式的損傷狀態(tài)，圖5中給出了薄壁殼體復(fù)合層板在高速?zèng)_擊作用下纖維拉伸破壞、基體拉伸破壞和基體壓縮破壞區(qū)域，隨層板破壞深度損傷面積變化的規(guī)律。圖示結(jié)果表明，薄壁殼體的破壞形式主要是纖維拉伸破壞，基體拉伸破壞區(qū)域最大，破壞位置主要集中在沖擊柱體與層合板接觸表面，沿殼體厚度分布不均勻，并呈現(xiàn)大面積的斷裂，這說明該復(fù)合材質(zhì)的薄壁殼體是由纖維組織控制破壞區(qū)域。然而，該復(fù)合材質(zhì)的薄壁殼體纖維壓縮破壞并不明顯。薄壁殼體內(nèi)基體的壓縮破壞發(fā)生區(qū)域?yàn)闆_擊孔內(nèi)部及邊緣，宏觀上呈現(xiàn)沖擊柱體與薄壁殼體層合板接觸區(qū)域的基體壓潰。

圖4 薄壁殼體沖擊破壞形式

圖5中顯示，纖維拉伸破壞對沖擊柱體穿透孔起主導(dǎo)作用，穿透孔面積與纖維拉伸破壞面積基本相等（50 mm2），這是由于薄壁殼體的復(fù)合材質(zhì)本身具有彈性?；w壓縮破壞面積略大于穿透孔面積，基體拉伸破壞面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穿透孔面積，部分層設(shè)置達(dá)到?jīng)_擊柱體橫截面積的10倍?；w拉伸破壞面積趨勢線的變化規(guī)律為：沿著沖擊方向，隨著厚度的深入，先逐漸變小，當(dāng)達(dá)到層合板中間層時(shí)，破壞面積逐漸增大，在層合板底層達(dá)到最大值。這是由于層合板層間粘連作用力從中間層向兩端逐漸減小，在高速?zèng)_擊下對層合板各層破壞面積產(chǎn)生影響。

圖5 不同破壞形式下破壞深度與損傷面積關(guān)系

4 結(jié)論

復(fù)合材料薄壁殼體內(nèi)表面的加強(qiáng)筋對低速?zèng)_擊下的速度損耗有一定程度的影響，隨著沖擊速度的加快，速度損耗將逐漸降低，對薄壁殼體的保護(hù)將逐漸減弱。

對于復(fù)合材料薄壁殼體，高速?zèng)_擊下的破壞形式是以纖維拉伸破壞為主，其中，基體拉伸破壞區(qū)域最大。沿著沖擊方向，隨著厚度的深入，破壞面積先逐漸變小，當(dāng)達(dá)到層合板中間層時(shí)，破壞面積逐漸增大，在層合板底層達(dá)到最大值。

參考文獻(xiàn)：

［1］張佐光.功能復(fù)合材料［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：279-302.

第一，種草養(yǎng)魚。在市場上，草魚價(jià)格高于鯉魚，草魚的生長速度快，飼料更容易解決，具備較強(qiáng)的發(fā)展優(yōu)勢，因此，種植草魚當(dāng)前經(jīng)濟(jì)效益提升的主要途徑。第二，實(shí)現(xiàn)漁牧結(jié)合。在現(xiàn)代化養(yǎng)殖工作中，通過對魚用肥需要的分析，為其提供適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)豬、禽類發(fā)展，促進(jìn)漁牧結(jié)合，確保整體的生態(tài)化循環(huán)發(fā)展。第三，加強(qiáng)對配合飼料的推廣，縮短實(shí)際的養(yǎng)殖周期，確保整體的高效化生產(chǎn)，保證工作目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1]。

［2］Naik N K，Kavala V R.High strain rate behavior of woven fabric composites under compressive loading［J］.Materials Science and Engineering A，2008，474（1-2）：301-311.

［3］Kim H，Welch D A，Kedward K T.Experimental investigation of high velocity ice impacts on woven carbon/epoxy composite panels［J］.Composites Part A，2003，34（1）：25-41.

［4］古興瑾，許希武.不同形狀彈體高速?zèng)_擊下復(fù)合材料層板損傷分析［J］.工程力學(xué)，2013，30（1）：432-440.

［5］胡年明，陳長海，侯海量，等.高速彈丸沖擊下復(fù)合材料層合板損傷特性仿真研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2017，40（30）：66-69.

［6］秦建兵，韓志軍，劉云雁，等.復(fù)合材料層合板侵徹行為的研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2013，32（24）：122-126.

［7］康欣然，朱書華，彭新未，等.GLARE加筋壁板彈頭沖擊數(shù)值仿真分析［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2016，46（2）：47-50.

［8］韓永要，趙國志，方清，等.動(dòng)能彈侵徹多層陶瓷靶板數(shù)值模擬研究［J］.工程力學(xué)，2006，23（8）：182-186.

［9］王元博，王肖鈞，卞梁，等.CDM模型及在纖維增強(qiáng)層合材料侵徹?cái)?shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.爆炸與沖擊，2008，28（2）：172-177.

［10］古興瑾.復(fù)合材料層板高速?zèng)_擊損傷研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2011.