[發明專利]一種復合材料層壓板低速沖擊損傷的數值模擬方法

有效

• 申請號: 201310195634.2
• 申請日: 2013-05-23
• 公開（公告）號: CN103294856A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 劉洪權;薛應舉
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司西安飛機設計研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 杜永保

技術領域

本發明屬于航空復合材料靜損傷領域，特別是涉及到一種復合材料層壓板低速沖擊損傷的數值模擬方法。

背景技術

復合材料層壓板受到外來物的低速沖擊損傷可能發生如分層、基體裂紋、纖維斷裂和表面破壞等一系列目視勉強可見的損傷。存在此類損傷的層壓板壓縮強度可降低到無損板的50%左右。

國內外對復合材料低速沖擊損傷的數值計算主要有三種方法：以強度破壞為準則的計算模型、斷裂力學模型和界面單元模型。強度破壞模型不能很好的模擬分層和樹脂裂紋的逐漸擴展過程，但是由于沖擊損傷持續時間很短，這種模擬方法也被廣泛應用。

斷裂力學模型對網格構型和網格密度很敏感且需要在模型中布置初始裂紋，同時，這種方法還需要自適應網格技術來跟蹤裂紋尖端的變化。

界面單元模型可以方便的模擬分層和樹脂裂紋的起始和擴展，但是無法模擬界面中由沖擊引起的壓縮載荷對分層破壞的限制作用。

對復合材料層壓板低速沖擊損傷的數值模擬多采用動態載荷加載模型，耗時耗力，計算效率較低。

發明內容

本發明的目的是：提供一種能夠減小計算規模、提高計算效率的一種復合材料層壓板低速沖擊損傷的數值模擬方法。

本發明的技術方案是：一種復合材料層壓板低速沖擊損傷的數值模擬方法，利用到Abaqus商業軟件，包括以下步驟：

步驟一、采用連續殼單元SC8R，建立層壓板單層模型，單元尺寸為H；

步驟二、采用界面單元COH3D8，建立層壓板的層間模型，單元尺寸為H/5；

步驟三、采用界面單元COH3D8，建立層壓板的樹脂裂紋模型，單元尺寸為H/5；

步驟四、采用剛體單元，建立沖頭模型；

步驟五、將單層模型、層間模型、樹脂裂紋模型及沖頭模型組合成層壓板沖擊模型；其中，層間模型引入層間摩擦力F，模擬層間壓縮力對分層損傷的限制作用，摩擦系數為u；

步驟六、將層壓板沖擊模式提交到Abaqus/Standard求解器，進行求解；

步驟七、將求解結果與試驗結果進行對比，若模擬結果與試驗結果一致，則模擬完成，否則返回步驟五，修改摩擦系數u，繼續進行求解，直至模擬結果與試驗結果一致。

本發明的優點是：本發明采用采用準靜態載荷代替復雜的動態沖擊載荷，減小了計算規模，提高了計算效率；采用Abaqus/Standard求解器，較Abaqus/Explicit求解器較大的提高了計算效率，縮短計算時間；在單層面內纖維方向垂直布置界面單元模擬樹脂裂紋，更好的模擬出在低速沖擊載荷下較早發生的樹脂裂紋；在層間布置界面單元模擬由樹脂裂紋引起的層間分層，較好的模擬出分層損傷的面積和形狀；很好的模擬了樹脂裂紋與層間分層的相互作用，得到了準確的分層損傷的面積和形狀；在受壓載的層間引入層間摩擦載荷模擬壓載對分層損傷的限制作用，更好的模擬出分層損傷的面積和形狀。

附圖說明

圖1是層壓板單層模型示意圖；

圖2是層間模型示意圖；

圖3是樹脂裂紋模型示意圖；

圖4是沖頭模型示意圖；

圖5是層壓板沖擊模型示意圖。

圖6是模擬結果示意圖；

圖7是試驗結果示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述，請參閱圖1至圖6。

一種復合材料層壓板低速沖擊損傷的數值模擬方法，利用到Abaqus商業軟件，包括以下步驟：

步驟一、采用連續殼單元SC8R，建立層壓板單層模型，單元尺寸為H。層壓板包含多個單層模型，單層模型厚度為具有相同鋪層角度的多個預浸料單向帶或編織布的總厚度；如圖1所示；

步驟二、采用界面單元COH3D8，建立層壓板的層間模型，單元尺寸為H/5。層間模型厚度取值為層壓板模型厚度的千分之一，并將其置于兩個單層模型之間來模擬層間分層損傷；如圖2所示；

步驟三、采用界面單元COH3D8，建立層壓板的樹脂裂紋模型，單元尺寸為H/5。樹脂裂紋模型厚度取值為層壓板模型厚度的千分之一，并將其垂直置于單層模型的中面位置，放置方向為單層模型的纖維方向；如圖3所示；

步驟四、采用剛體單元，建立沖頭模型；如圖4所示；

步驟五、將單層模型、層間模型、樹脂裂紋模型及沖頭模型組合成層壓板沖擊模型，由對稱關系，采用1/4模型進行計算分析；如圖5所示；其中，相鄰單層模型之間引入層間摩擦力F，模擬層間壓縮載荷對分層損傷的限制作用，摩擦系數為u；