航空電磁窗用復合材料層合板低速沖擊仿真模擬研究

周翔

摘 要：本文使用ABAQUS有限元軟件來模擬復合材料層合板的沖擊瞬態(tài)響應。根據(jù)以下假設(shè)研究沖擊的瞬態(tài)響應：沖擊頭與復合材料層合板之間摩擦忽略不計;復合材料層合板的阻尼作用忽略不計;沖擊過程中的重力忽略不計;將沖擊頭視為剛體。對層合板低速沖擊的分層損傷情況、沖擊力--時間、沖頭位移--時間進行數(shù)值模擬預測，預測了復合材料層合板分層的方向和形狀。

關(guān)鍵詞：復合材料;層合板;仿真模擬

本文使用Abaqus/Explicitv6.14顯式求解器進行仿真，使用Abaqus/Explicit中編寫的VUMAT用戶子程序獲得本構(gòu)模型。[1-2]層合板層和界面的個體本構(gòu)關(guān)系為非線性響應。通過基于三維漸進累積損傷分析方法來模擬層合板的損傷。對平面內(nèi)剪切載荷作用下的塑性變形和破壞進行建模，得到基體的剪切響應。層間破壞通過使用粘性區(qū)域元素解決，對其破壞演化進行模擬[3-4]。

1 復合材料層合板有限元模擬

1.1 層合板幾何模型

層合板幾何尺寸為150×100mm，厚度2.6mm。鋪層方式為[（45/0）/（-45）/90]5，共20層，單層厚度0.13mm。用Cohesive實體單元模擬分層損傷，有限元模型如圖1所示：

三維有限元模型是在Abaqus/Explicit顯式中生成。該模型由150×100mm的三維可變形層合板組成，夾具底座為鋼制，底座有125×75mm的矩形開口、四個直徑為14mm的剛性圓柱形夾具和一個直徑為16mm的剛性半球形沖擊頭組成。

層合板被建模為三維可變形板實體，該板由20層0.13mm等厚的單向復合層組成。在模型中，每一層被視為單一均勻厚層。平面內(nèi)網(wǎng)格在沖擊區(qū)域進行加密處理。

1.2 接觸的定義

接觸是通過Abaqus/Explicit中的一般接觸算法進行模擬的。在整個模擬過程中，任何可能的新接觸都將被考慮在內(nèi)。通過定義事先已知的接觸（即一層一層地）并且從接觸算法中排除內(nèi)聚性元素，提高接觸算法的效率。

通過Abaqus/Explicit內(nèi)置的摩擦模型在所有接觸表面之間引入摩擦。摩擦系數(shù)取決于接觸材料和表面質(zhì)量，本文摩擦系數(shù)設(shè)為0。

1.3 邊界條件及載荷

夾具底座為矩形鋼件，開有125×75mm的矩形開口。有1220個二次剛度單元（ABAQUS中的R3D4庫）用于夾具底座的離散化。根據(jù)標準試驗對參考點的自由度進行了約束。在測試夾具中，層合板固定在裝置底座上，四個獨立的剛性夾頭將層合板進行固定。在沖擊過程中，夾頭將樣品約束，所有自由度均固定。使用剛性元件（R3D4）建模。邊界條件如圖2所示。

2 分析與討論

2.1 沖擊凹坑深度

沖擊凹坑深度是比較直觀的對比參數(shù)，使用ABAQUS中顯示結(jié)果中讀取仿真模擬值，與實測值進行比較，如表1所示。

將層合板在五種能量沖擊后的凹坑深度平均值作為試驗值，本章所用數(shù)值模擬方法得到的結(jié)果作為計算值，通過比較，試驗值與模擬值較為接近，30J能量進行沖擊時的誤差最小。

2.2 沖擊損傷面積

使用ABAQUS中顯示結(jié)果中讀取仿真模擬值，從仿真模擬的結(jié)果與試驗測試結(jié)果對比中可以看出，分層投影面積值與試驗測試后C掃損傷面積基本一致。復合材料層合板分層損傷面積的試驗值與模擬值對比情況見表2。

2.3 對比結(jié)果

對比分析以上數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在小能量沖擊時，誤差較大，在中等能量沖擊時，誤差較小。分析可能的原因有以下兩點：①在小能量沖擊時，沖擊下落過程中的摩擦對最終沖擊能量的影響比較大，實際沖擊能量與理想的沖擊能量會有所偏差;②小能量沖擊產(chǎn)生的凹坑深度和損傷面積都較小，此時測量誤差會產(chǎn)生較大的影響?？傮w來說，誤差還是在合理的范圍之內(nèi)。

3 總結(jié)

復合材料層合板低速沖擊數(shù)值模擬研究使用ABAQUS有限元軟件來對復合材料層合板的沖擊瞬態(tài)響應進行計算仿真模擬。根據(jù)以下假設(shè)研究沖擊過程瞬態(tài)響應：沖擊頭與復合材料層合板之間摩擦忽略不計;復合材料層合板的阻尼作用忽略不計;沖擊過程中的重力忽略不計;將沖擊頭視為剛體。通過仿真模擬，層合板各層損傷形貌大致呈橢圓形，分層損傷為靠近沖擊面的分層損傷較小，然后逐漸增大后減小的一種趨勢。對比分析試驗結(jié)果和計算結(jié)果，其一致性表明，將三維漸進損傷分析方法用于層合板低速沖擊模擬是有效和可靠的。

參考文獻：

[1] Kumar S， Purohit R， Malik M M. Properties and applications of polymer matrix Nano composite materials[J].Materials Today： Proceedings， 2015，2（4-5）：3704-3711.

[2] Kelly A. Comprehensive composite materials[J].Materials Today， 1999，2（1）：20-21.

[3] Bogenfeld R， Kreikemeier J， Wille T. Review and benchmark study on the analysis of low-velocity impact on composite laminates[J].Engineering Failure Analysis， 2018（86）：72-99.