CFRP层合板受到冰雹冲击时的有限元分析_张吉兴.pdf

中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-62-航空航天CFRP 是一种理想的大型整体结构材料。目前，我国航空碳纤维主要应用于航空装备制造领域。与传统材料相比，CFRP 可以减轻飞机重量 20%40%，克服金属材料的疲劳和腐蚀缺陷，提高飞机的耐久性，具有良好的成形性能，可以大大降低结构设计成本和制造成本。然而，在飞机实际飞行过程中，复合材料结构经常会受到来自不同方向、不同速度的冲击作用，如机翼受到冰雹、飞鸟等撞击。这些外力的冲击容易造成复合材料层合板的内部损伤，并且降低其剩余强度，从而造成结构的失效。因此，综合考虑复合材料在实际工作中受到冲击的各种情况，并研究复合材料层合板结构在多种环境变量冲击下的力学响应及其结构的损伤演化规律具有重要意义。国内外的部分学者采用有限元仿真技术对冰雹低速冲击时层合板的损伤情况进行了研究和实验验证，戴磊使用空气炮进行了 CFRP 层合板被冰雹颗粒冲击的试验，发现随着冲击速度的增大，层合板中的损伤逐渐增大直至穿透。Long 等人提出了一种新型纤维复合材料本构模型来预测纤维复合材料结构在动态载荷下的变形及破坏特征，该模型通过对纤维复合材料层压板进行了准静态和动态力学试验，建立了平面应力和三维应力的本构关系，并引入两个损伤因子来描述层合板的非线性行为，最后通过与传统模型相比较发现这种新模型在描述复合材料结构在动载荷作用下的动力响应和极限破坏模式方面具有更高的精度和效率。周逃林采用 Drucker-Prager（DP）屈服函数的冰雹本构，利用有限元技术建立了冰雹模型来模拟层合板冲击，得出层合板主要的损伤模式为基体拉伸和分层损伤的结论。Tang 等采用SPH 方法建立冰雹模型，分析了铺层方式、冲击角度等因素对层合板损伤的影响。综上所述，国内外学者通过试验和模拟对冰雹冲击复合材料结构问题进行了研究，但大部分是针对某一单独变量进行讨论分析。为了全面的讨论层合板受到冲击时各种因素的影响，本文建立了一种非线性动力有限元模拟方法，并利用ABAQUS 有限元软件的本构模型模块，通过控制变量法系统地研究了碳纤维层合板复合材料在模拟球形冰雹单元以不同速度、角度冲击下的力学行为和损伤演化规律。有限元模拟 CFRP层合板的损伤演化规律根据非线性动力有限元模拟方法，考虑夹具对于层合板周围集中应力的影响，建立了球形冰雹单元冲击碳纤行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度CFRP 层合板受到冰雹冲击时的有限元分析张吉兴 王共冬 邹爱丽 许成阳 安耀慧张吉兴 王共冬 邹爱丽 许成阳 安耀慧沈阳航空航天大学 航空宇航学院项目基金：辽宁省教育厅系列项目（LJKZ0190）国防重点实验室开放基金（SHSYS202106）辽宁省科技厅系列项目（2022-BS-219）-63-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期航空航天维层合板复合材料有限元模型如图 1 所示。面板材料选用T300/5208 单向复合材料，按照预先设计的纤维织物铺设方式 0/905s 的铺层方式进行铺层，铺层方式如图 2 所示，每个单层名义厚度为 0.125 7mm，共 20 层，总厚度为2.514mm，材料参数见表 1。球形冰雹单元直径 40mm，采用弹塑性模型，其弹性模量设置为9.38GPa，泊松比0.33，设置冰雹的密度为 0.9X103kg/m3，准静态加载下的屈服应力为 5.2MPa。其中，层合板使用三维八节点实体单元 C3D8R 的方式建模，并采用减缩积分的方法来减少计算成本和避免剪切闭锁。为了更详细精确地表征碳纤维层合板复合材料受到冲击时的力学行为，层合板铺层 0/905s 中每一层的单层碳纤维板材都沿着厚度的方向采用一层单元建模。考虑到冲击实验时夹具产生的局部压应力可能会对结果造成一定的影响，有限元模型中也加入实验中用到的夹具，其夹持宽度为10mm，夹具材料选择为 Q420 低合金高强度结构钢。表 1 碳纤维复合材料基本力学性能材料型号密度 g/m3弹性模量GPa泊松比 硬度 HR能量释放Jm-2USN-150001.61810.390240冲击仿真结果分析本文中分别设置冰雹冲击角度与冲击速度为仿真变量，其中球形冰雹单元的冲击速度根据经验分别设定为120m/s、130m/s、140m/s，对应角度定为 90，选取时间分别为0.32ms、0.52ms、0.82ms，仿真结果应力云图如图3所示。根据层合板安装使用时会有一定倾角的实际情况，选取45和 90两种冲击角度进行冲击，为了与上述现象作对比，设置仿真对照组参与分析，仿真对照组为使冰雹分别在120m/s、130m/s、140m/s 的速度下，以 45向平板冲击，图 1 球形冰雹单元冲击有限元模型图 2 碳纤维层合板铺层方式图 4 45变速冲击下的有限元仿真结果图 3 90变速冲击下的有限元仿真结果其仿真结果应力云图如图 4 所示。根据以上有限元仿真结果的对比可以发现：1）当冲击角度一样时，冲击的速度越大，层合板所受的破坏应力越大。2）当冰雹最开始撞击时会在夹具的上下夹持处产生较大的集中应力，但随着冰雹形状的破坏，夹持处产生的集中应力会减弱直至消失，尤其是在 90冲击时，层合板所受应力最开始并不均匀，在上下夹持处应力较大，而撞击处的应力分布也并不是均匀的圆形分布，而是在与较大应力夹持处相垂直的平面上应力也较大，成椭圆形分布。3）随着冰雹的解体，层合板所受应力会逐渐趋于四周均匀化分布，从中间撞击处向四周逐渐减少，应力变化如图 5 所示。中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-64-航空航天综合以上分析，当同一冲击速度时，45冲击要比90冲击应力明显减少，应力分布依然满足上述应力分布规律，并且 45冲击时夹具受力要大于 90冲击时的受力，在夹具上还会随机产生应力集中的现象。实验分析为了验证有限元分析结果的准确性和普遍性，选取与仿图 5 层合板应力分布变化真一致的环境和材料参数，通过控制冲击角度和冲击速度两个变量，观察和对比实验的现象是否与有限元仿真结果一致。如图 6、图 7 所示为实验冲击后通过超声波 C-扫描技术得出的层合板损伤图像，其中红色表示层合板没有损伤，蓝色表示层合板有些许损伤，绿色表示层合板的纤维组织有较大的损伤。从 C 扫描图像中可以发现，边缘夹持处的确会产生冲击之外的附加应力，由图 6 可以发现 120m/s 的速度对于层合板的损伤很小，即层合板可以接受 120m/s 的冲击，但当冲击速度大于 120m/s 时在撞击处就会产生损伤，同时，当速度均为 140m/s 时，90冲击的损伤要远大于 45的损伤结果。根据实验结果与有限元仿真结果的对比可以发现，前文中建立的有限元模型可以有效地表示出层合板受到冲击的损伤结果，具有一定的准确性。结语根据有限元模拟仿真和实验验证结果分析，本文得到结论如下：（1）以 20 层碳纤维复合材料层合板为研究对象，分析并得出了复合材料收到冰雹冲击时的力学损伤有限元仿真模型，本模型可以准确地表示在常温条件下不同速度和角度冲击时碳纤维层合板的损伤与应力分布规律。（2）观察有限元仿真结果和实验试件 C 扫描图像，得出了层合板受到冰雹冲击时的应力分布规律是由椭圆到均匀圆形的变化，最初冲击时在夹具夹持处产生局部附加应力，并且这个应力会随着冲击的进程而减弱直至消失。（3）得出了层合板受到不同冲击速度和冲击角度的影响规律，层合板的损伤会有一个极限速度，例如本文中的层合板模型会在 120m/s 时开始出现明显损伤，损伤随速度增大而增大；在 90冲击时层合板损伤最明显，随着角度减小损伤也会随之减小。（4）发现并解释了层合板冲击实验中产生的个别试件损伤规律相反的现象，为其他的复合材料冲击实验提供了参考经验，即冲击实验的损伤结果在很大程度上还会受到试件制造的误差和夹具夹持方式的影响。图 7 常温环境下 140m/s-45冲击板材 c 扫描图图 6 常温环境下 90变速冲击板材 c 扫描图