低速冲击下复合材料层合板损伤分析DamageAnalysisofLaminatedCompositesUnderLowVelocityImpactLoading温卫东,徐颖,崔海坡(南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016)WENWei2dong,XUYing,CUIHai2po(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)摘要:根据低速冲击下复合材料层合板的分层损伤机理,发展了一种分层失效准则,该准则同时考虑了层间拉应力、层间剪应力和基体开裂等因素对分层损伤的影响,并在损伤分析中,区分了冲击正面由挤压应力引起的纤维挤压损伤和冲击背面由弯曲拉应力引起的纤维断裂损伤,模拟了纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤压、分层等五种损伤的起始和扩展过程,完善了作者以前发展了低速冲击逐渐累积损伤模型。通过与实验结果进行比较,验证了模型的合理性。关键词:低速冲击;复合材料层合板;失效准则;逐渐损伤中图分类号:TB33文献标识码:A文章编号:100124381(2007)0720006206Abstract:Anewdelaminationcriterionwasproposedaccordingtodelaminationdamagemechanismunderlowvelocityimpactloading.Theinfluenceofthrough2thicknesstensilestresses,interlaminarshearstressesandmatrixcrackingondelaminationhadbeentakenintoconsideration.Thefibercrush2ingcausedbythecrushingstressesofimpactsurfaceandfibercrackingarousedbytensilestressesofimpactbacksurfacehasbeendistinguished.Theinitiationandpropagationoffibertensilefailure,fi2bercompressivefailure,matrixcrushing,matrixcrackinganddelaminationweresimulatedintheim2provedmodel.Agoodagreementwasfoundbetweenthepredictedresultsandthetestdata.Keywords:lowvelocityimpact;laminatedcomposite;failurecriterion;progressivedamage复合材料层合板具有比强度、比刚度高,可设计性强等优点,已被广泛应用于航空航天及其它民用领域。受低速冲击后,复合材料层合板内部容易产生基体开裂和分层等损伤,这些损伤在日常检测中不易被发现,但会导致结构的强度和寿命大幅下降,严重影响其继续使用。因此,复合材料层合板的冲击损伤问题已受到广泛关注。由于逐渐累积损伤分析理论有利于了解层合板内产生损伤后载荷的重新分布和损伤扩展过程,故许多学者都应用了该理论对复合材料层合板在冲击载荷下的破坏过程进行了分析。Hou[1]研究了层合板受冲击后,纤维断裂、基体开裂、基体挤压和分层等损伤的起始和扩展过程,由于他以应力退化作为材料参数退化方式,故不能反映出材料自身性能的变化,且所预测的分层损伤大小和形状与实验结果不是很吻合。Li等[2]基于Mindlin板模型对低速冲击下的长纤维增强复合材料层板进行了逐渐损伤模拟,分析了四种主要损伤模式,其中在判断分层损伤时,采用了应变能释放率法,该方法需要先判断分层可能发生的位置并预设初始分层,因而不便于实际应用。徐颖等[3]采用刚度退化技术和改进的Chang2Chang[4]失效准则模拟了四种冲击损伤的产生和扩展过程,建立了三维低速冲击逐渐累积损伤预测模型,虽然该模型预测的损伤面积与实验结果吻合较好,但是对分层损伤形状的预测结果不是很理想。综上所述,目前关于冲击分析的逐渐累积损伤模型,对分层损伤的预测结果都不是很理想,且都忽略了由挤压应力引起的纤维挤压损伤和由拉应力引起的纤维断裂损伤的区别。本工作针对上述不足,对冲击载荷引起的层合板损伤开展了进一步研究。从分层损伤机理出发,发展了一种分层损伤判据,该判据考虑了层间拉应力、层间剪应力和基体开裂等引发分层损伤的因素,并且在损伤分析时,区分了冲击正面由冲头挤压引起的纤维挤压损伤和冲击背面由弯曲拉应力引起纤维断裂损伤,模拟了包括纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤压以及分层在内的五种损伤模式在冲击载荷下的起始和扩展过程,分析了基体开裂和分层之间的相互影响,改进了低速冲击逐渐累积损伤模型。应6材料工程/2007年7期用该模型对三种材料体系三种铺层顺序的层合板进行了低速冲击损伤预测,并与实验结果进行了比较,验证了模型的合理性。1理论分析1.1失效准则关于冲击损伤失效准则,许多学者都对其进行了研究...
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