0引言

复合材料因其具有比强度高、比刚度高和可设计性等特点，在许多重要的工程结构中得到了广泛的应用，其中复合材料层合板是常用于机身的典型结构。复合材料常常以板壳形式存在于结构件中,很容易受到垂直于板面的载荷作用,冲击载荷就属于这类载荷。冲击对复合材料层合板造成的损伤会使结构的力学性能退化，严重威胁飞机机体的安全。此对复合材料的冲击特性研究显得尤为重要。

 

早期复合材料冲击特性研究大都集中于低速冲击分析，国内外学者均在此方面做了大量的试验与数值研究工作。Choi[1]通过实验研究了层合板受冲击时基体开裂与分层之间的关系，认为基体裂纹是层合板受冲击后的初始损伤形式，外层的基体裂纹主要是由弯曲作用产生的。Ramin[2]等对几种纤维增强复合材料进行了冲击试验，观察其冲击损伤面积与形状，并对试验模型运用LSDYNA进行仿真模拟。Moura[3]等进行了碳/环氧层合板的低速冲击试验，研究发现层合板在低速冲击下的主要损伤形式为分层和横向裂纹。Bstaph[4]在层合板低速冲击分层问题研究中估算了其分层扩展，并对其损伤模型就行了数值模拟，探究其低速冲击特性。Wu[5]等人在层合板冲击问题的研究中建立了冲击模型，模拟了局部分层形状，研究其冲击特性。Ramazan[6]等人做了玻璃纤维/环氧树脂复合材料的冲击试验，观察在不同冲击能量、质量、速度下复合材料板的冲击损伤特性，并建立三维模型进行相关数值模拟。宁荣昌[7]对复合材料冲击损伤问题从冲击损伤、试验技术等方面展开简要论述，并对其冲击特性问题研究现状进行了介绍归纳。张彦[8]等对复合材料在横向低速冲击作用下的损伤和变形机理进行研究，并提出了一个可靠地数值计算模型。

 

本文运用ABAQUS软件展开分析，建立复合材料冲击模型，并对冲击模型有效性进行验证，预测复合材料在冲击载荷下的损伤等特性。

 

1模型失效准则

对复合材料冲击特性研究，关键在于模型损伤失效分析。目前对于复合材料的损伤失效分析无论是在实验还是理论研究都不够充分，使其研究应用受到了一定的限制。在实际结构中，层合板是复合材料结构的基础，而单层板又是层合板的基础，因此复合材料单层板的失效预测及损伤规律的研究工作，对复合材料的冲击特性研究分析具有重要意义。

 

单层板的常用破坏准则主要有5种：最大应力理论、最大应变理论、Tsai-Hill准则、Hoffman准则、Tsai-Wu张量准则[10]。各种破坏准则都是利用单向板纤维复合材料在不同载荷下的强度得到的，这些理论单纯认为只要应力满足条件，单层板则立即破坏，破坏前没有任何损伤发生。实际上单层板的失效是一个损伤演化过程，当应力满足一定条件时发生损伤，应力继续增加损伤不断扩展，当载荷达到极限时单层板破坏[11]。

 

由1层铺层（单向板）或几层材料与铺设角均相同的铺层粘接而成的层合板均称为单层板，对于单层板的的失效，忽略其层间应力的影响，采用二维Hashin准则对单层板拉伸过程进行损伤判定。二维Hashin准则表示如下。

 

纤维拉伸失效：

 

 

基体压缩或剪切失效：

 

 

式中：Xt，Xc为单层板纵向拉伸和压缩强度；Yt，Yc为单层板横向拉伸和压缩强度；S12为单层板1—2方向的剪切强度。

 

2模型的建立

2.1有限元冲击模型

参照Ramazan[6]的试验数据。层合板尺寸为76.2mm*76.2mm,单层板厚度0.36mm,共8层，铺层方式为[0°/30°/60°/90°]s，层合板材料参数见表1。采用大型有限元软件ABAQUS对复合材料层合板进行冲击模拟分析，因为改复合材料板的宽薄比大于10，属于薄壁结构，故在ABAQUS软件中使用壳单元来模拟描述，不仅可以节省计算机计算成本，还可获得高准确度的结果。

 

冲击中心区域网格变形较为剧烈，因此为提高计算精度，在网格划分阶段对冲击中心区域网格进行细化处理，然后依次过度网格尺寸到边界区域，处理,在保证网格质量的同时以减少计算时间。冲击密化区域的层合板网格尺寸为1mm*1mm*1mm。层合板边界设置参照试验，四周边界采用绞支约束，即只限制住四边的三方向位移，不约束其四边的旋转自由度。

 

表1复合材料参数

 

 

冲头模型为12.7mm的钢质半球形冲头。由于在冲击过程中不需要考虑冲头的变形，即冲头的单元类型为二维解析刚性体。通过在冲头上设置参考点并施加点质量，在点质量上施加速率，即根据公式E=mv²/2将冲击能量施加于冲头上。参照实验，分别考虑在相同的冲击能量，相同的冲击质量和相同的冲击速度下的实验影响。对于相同的冲击物重量和冲击能量进行九个主要实验。每个实验重复三次，以确保实验数据的可靠性。冲击速度的值取决于冲击质量和能量，本文选取几种典型冲击工况进行模拟分析，其冲击速度数值参见表2。

 

冲击过程中，冲头与复合材料板之间是硬接触，会引起接触单元失效，故采用普通硬接触算法。模型采用二维Hashin失效准则。冲击模型如图1所示.

 

表2典型试验工况下冲击速度

 

 

3冲击模拟结果

通过对上述表2中的几种典型冲击工况进行模拟，得到其冲击过程中典型时刻复合材料层

合板中的MISES应力分布图如图2所示。从图2中可以看出，在冲击作用下，应力波在复合材料层合板中从冲击中心区域分别沿平板表面方向与垂直于平板表面的方向传递。由于在计算初始时刻定义了材料的失效模式，因此当单元中的应力超过其极限值，单元就会发生失效破坏。

 

 

图1冲击模型

 

 

图1冲击过程典型时刻复合材料层合板中MISES应力分布图

 

对0°铺层分析，其纤维铺层MISES应力分布如图3。从图3中可以看出，在0°方向的纤维铺层中，MISES应力等值线大致呈现“花生”形状分布，而国内外大量复合材料冲击实验研究所得的表面损伤结果均呈此形状[12]，同时从Ramazan实验所得的分层损伤实验结果来看，这一结论也再次得到验证，从而证明了本文所建立的数值模型的有效性与合理性

 

 

图3冲击过程典型时刻0°方向纤维铺层复合材料层合板中MISES应力分布图

 

为进一步验证本文所采用的数值计算方法的有效性与准确性，将本文的冲击力计算结果分别与Ramazan[6]的实验结果及其进行的3D数值模拟结果进行对比分析，如图4所示。

 

 

图4冲击力历时图

 

图4给出了不同工况下整个复合材料层合板冲击过程中的冲击力时历曲线。图中的红色曲线为本文的数值模拟结果，黑色曲线为Ramazan的实验结果，蓝色曲线为其相应3D数值模拟结果。从图4中可以看出，在复合材料层合板的低速冲击过程中，冲击力的历时变化一般可分为两个阶段：一个是冲压阶段，此阶段冲击力不断增加，最终达到冲击力峰值点。另一个是反弹阶段，此阶段冲击物开始反弹并逐渐脱离复合材料层合板，冲击力逐渐衰减，直至冲击物完全脱离平板表面而降至为零。

 

可以观察到，在冲压阶段，本文的数值模拟结果与实验结果契合度良好，并且所得到的冲击力峰值与实验结果也有较好的吻合度，与Ramazan的3D数值模拟结果相比更接近于实验值，也说明模型能够良好的描述冲击损伤初始阶段，从而进一步验证了本文所建立的复合材料层合板冲击过程数值模型的有效性与准确性。在反弹阶段，本文的数值计算结果与实验结果相比略有差异。进入冲击损伤演化阶段，材料出现刚度退化并导致失效。在本文的计算结果中，冲击接触时间更长，冲击过程稍显滞后，同样导致了达到冲击力峰值点时对应的时刻与实验值相比稍显滞后。总体看来，从计算结果与实验结果的对比来看，本文所建立冲击模型的计算结果仍是准确可靠地。

 

4结论

（1）本文基于Hashin失效准则建立了复合材料板冲击模型，相比于Ramazan等人的3D模型，在模拟复合材料板冲击过程中，无论是在冲击损伤初始阶段还是冲击力峰值上均与实验吻合更良好，验证了冲击模型的可靠性。

 

（2）现有的冲击损伤失效理论都还不够完备，在复合材料在冲击损伤演化阶段，要实现对复合材料模型的精确描述更是相当困难的，所以在数值计算中本文与Ramazan所建立的数值模拟均与实验结果有所差异，不过依然可以为复合材料板的冲击特性进行有效地预报。

 

（3）在复合材料板的冲击特性运用

ABAQUS建模模拟中，对Hashin准则进行修正改进，有望利用本文建立的冲击模型获得更加优良的模拟效果。

 

资料来源：达索官方