含预置分层复合材料层合板低速冲击损伤分析_陶百归.pdf

49加工与应用NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology含预置分层复合材料层合板低速冲击损伤分析陶百归,盛冬发*（西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224）摘要：以T300/QY8911碳纤维复合材料层合板为研究对象，利用三维Hashin失效准则对层内损伤进行预测，引入Cohesive界面单元模拟层间分层破坏，使用Camanho刚度退化准则确定材料参数退化方案，并编写了用户材料子程序Vumat，利用ABAQUS软件对预置不同分层损伤复合材料层合板低速冲击过程进行了数值仿真模拟。在冲击载荷作用下研究层合板的动力学响应，得到不同预置分层对层合板总分层损伤面积的影响，同时分析了冲击过程中冲击点位移随时间变化的规律。结果表明：预置分层位置离层合板中间层越远，层合板抵抗冲击承载能力越弱。预置分层的分层数目越多，层合板的刚度越低，层合板抵抗冲击承载能力越弱。在预置分层的两侧，层间分层损伤面积呈塔状分布。含预置分层层合板受到冲击时，预置分层对分层损伤的扩展具有一定的抑制作用。关键词：分层损伤；低速冲击；碳纤维复合材料层合板中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1005-3360（2023）02-0049-06 DOI：10.15925/ki.issn1005-3360.2023.02.010Damage Analysis of Composite Laminates with Preset Delamination Under Low-Speed ImpactTAO Bai-gui,SHENG Dong-fa*(School of Civil Engineering,Southwest Forestry University,Kunming 650224,China)Abstract:Taking T300/QY8911 carbon fiber composite laminates as the research object,the three-dimensional Hashin failure criterion was used to predict the inter-layer damage,and the Cohesive interface element was introduced to simulate the inter-layer delamination failure.The Camanho stiffness degradation criterion was used to determine the material parameter degradation scheme,and the user material subroutine Vumat was written.The ABAQUS software was used to simulate the low-speed impact process of composite laminates with different delamination damage.The dynamic response of laminates under impact load was studied,and the influence of different preset delamination on the total delamination damage area of laminates was obtained.At the same time,the law of displacement of impact point with time during impact was analyzed.The results show that the farther the preset delamination position is from the middle layer of the laminate,the weaker the impact resistance of the laminate.The more the number of preset layers,the lower the stiffness of the laminates,and the weaker the impact resistance of the laminates.On both sides of the preset delamination,the delamination damage area is distributed in a tower shape.When the laminate with preset delamination is impacted,the preset delamination has a certain inhibitory effect on the expansion of delamination damage.Key words:Delamination damage;Low speed impact;Carbon fiber composite laminates复合材料层合板由于具有较高的比强度、比刚度和可设计性，已被广泛应用于航空航天领域。然而，在层压板的制造和使用过程中，许多不确定因素导致层合板出现分层、孔隙、气孔等缺陷1-2。层合板复合材料薄弱部位主要收稿日期：2022-10-16基金项目：国家自然科学基金（11862023）*联系人，引用本文：陶百归,盛冬发.含预置分层复合材料层合板低速冲击损伤分析J.塑料科技,2023,51(2):49-54.Citation：Tao B G,Sheng D F.Damage analysis of composite laminates with preset delamination under low-speed impactJ.Plastics Science and Technology,2023,51(2):49-54.50加工与应用NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology在层间，分层是层合复合材料破坏的主要形式之一3。据相关数据统计，复合材料层合板在加工、装配、使用过程中产生的分层损伤占缺陷件的50%以上4。结构内部中经常存在分层，不能根据表面状态进行检测。在使用过程中，低速冲击横向集中力是造成层压板结构分层损伤的重要原因之一。因此，研究含分层复合材料层合板在冲击过程中的特性，对于提高复合材料结构抗冲击能力具有重要的意义。温卫东等5提出一种分层失效准则，并建立了低速冲击逐渐累积损伤模型。张丽等6采用三维实体单元和Cohesive界面单元建立了面内层间损伤累积损伤模型，该模型能够较好地模拟层合板低速冲击损伤过程。徐瑀童等7实现了复合材料层合板结构从冲击损伤到压缩破坏的全过程仿真模拟，模型能够对含低速冲击损伤复合材料层合板结构的剩余强度进行预测。拓宏亮等8基于连续介质损伤力学(CDM)方法，建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维有限元模型，得到四级冲击能量下的冲击响应和冲击损伤规律。矫桂琼等9对含有模拟制造分层缺陷的复合材料层压板的压-压疲劳试验，得到分层缺陷对层压板压-压疲劳性能的影响。任浩雷等10将高阶位移模式与八结点等参元模型相结合，形成了高精度二维有限元模型。在此基础上，推导含损伤有限元模型。张东哲等11对含有不同分层复合材料平板压缩试验，得到含不同分层平板的剩余压缩强度变化规律，采用同一方法进一步对含分层曲板进行分析，得到曲板弧度、预置分层的位置及尺寸对曲板剩余压缩强度的影响规律。籍永青等12以复合材料T300/BMP316层合板为研究对象，对含预置分层层合板进行了静拉伸试验，并建立含分层复合材料层合板的静载损伤分析模型，分析这种层合板分层危险层间位置。此外，使用有限元数值模拟的方法，研究复合材料层合板在低速冲击下的性能也有一些报道13-15。本实验利用有限元软件ABAQUS对预制分层损伤的碳纤维复合材料层合板，在低速冲击载荷作用下动力响应进行数值模拟。运用Hashin面内失效准则和Cohesive界面单元模拟层间分层损伤，以及Camanho刚度退化准则建立预置分层损伤的复合材料层合板冲击损伤模型。对含不同预置分层损伤复合材料层合板在低速冲击载荷下的分层损伤扩展规律和冲击点位移进行模拟。1复合材料层合板损伤基本理论复合材料层合板在低速冲击过程中，其主要的损伤模式可分为层内损伤和层间损伤。而实际情况中，当失效准则满足后，复合材料的应力和刚度并不迅速下降，而是一个逐渐退化过程。复合材料层合板低速冲击损伤失效过程主要是确立失效准则和材料参数退化准则，模拟纤维破坏、基体破坏以及分层破坏在冲击载荷作用下的扩展过程。1.1层内损伤失效判据层内损伤采用三维Hashin失效准则16作为损伤失效判据，其考虑了复合材料的失效模式包括纤维拉伸断裂、纤维压缩屈曲折断、基体拉伸开裂和基体压缩破坏。Hashin失效准则采用四个相互独立准则并列的形式。单层板单元的应力状态满足其中之一，则认为单层板单元失效17。具体失效准则为：纤维拉伸失效(110)：(11T)2+(12S12)2+(13S13)21（1）纤维压缩失效(110)：(11C)21（2）基体拉伸失效(220)：(22YT)2+(12S12)2+(23S23)21（3）基体压缩失效(220)：(222S23)2+22YC|(YC2S23)2-1|+(12S12)2+(23S23)21（4）式（1）式（4）中：11和22为各单元在材料主方向上的正应力，MPa；ij为各单元与材料主方向上的剪切应力，MPa；XT、XC分别为单向板纤维方向拉伸强度和压缩强度，MPa；YT、YC分别为单向板垂直于纤维方向拉伸强度和压缩强度，MPa；Sij为单向板对应方向上的剪切强度，MPa。1.2层间损伤失效判据层间损伤主要是分层损伤失效，利用二次正应力准则和二次临界能量释放率，分析损伤过程中初始损伤和损伤扩展阶段18。初始损伤采用二次正应力准则判定，公式为：(33XT)2+(13S)2+(23S)2=1（5）式（5）中：33为界面层的正向应力，MPa；13、23分别为界面层的切向应力，MPa；XT、S分别为界面层的拉伸强度和剪切强度，MPa。为Macaulay bracket算子，定义为：R=R,R00,R0（6）利用二次临界能量释放率预测分层损伤的扩展，公式为：(GIGIC)2+(GIIGIIC)2+(GIIIGIIIC)2=1（7）式（7）中：GI为界面单元法向的应变能释放率；GII、GIII分别为界面单元两个切向的应变能释放率；GIC、GIIC、GIIIC分别为法向和两个切向的临界应变能释放率。当满足该能量准则时，界面单元将完全破坏，与其连接的上下单元自由分离。但即使界面单元完全破坏，当界面单元法向受压时，其仍能够提供反向刚度，以避免上下单元发生完全穿透。1.3材料参数退化准则有限元模型在低速冲击模拟过程中，当单元产生损伤51加工与应用NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology时，损伤单元的材料性能应进行相应退化。根据不同损伤形式，需要折减其相关参数，以降低破坏单元刚度。本文采用Camanho刚度退化准则19，退化方案为：（1）纤维拉伸失效：将E11，E22，G12，G23，G13，12，23，13折减为初始值的0.07。（2）纤维压缩失效：将E11，E22，G12，G23，G13，12，23，13折减为初始值的0.14。（3）基体拉伸失效：将E22，G12，G23折减为初始值的0.2。（4）基体压缩失效：将E22，G12，G23折减为初始值的0.4。（5）分层损伤：将E33，G13，G23，13，23折减为0。其中：