[發明專利]長纖維增強熱塑性復合材料能量吸收模型建立方法

有效

• 申請號: 201810400501.7
• 申請日: 2018-04-28
• 公開（公告）號: CN108846159B
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發明（設計）人: 張君媛;李仲玉;張秋實;姜哲;紀夢雪;郭強;王丹琦;周浩;陸炳全
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G01N3/303
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 朱世林;張晶

1.一種長纖維增強熱塑性復合材料能量吸收模型建立方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：建立不同厚度和質量分數落錘沖擊計算模型；

步驟二：研究落錘回彈時LFT平板能量吸收特性；

步驟三：對不同纖維質量分數不同厚度LFT平板進行非線性擬合，獲得落錘臨界穿透速度和最小穿透能量；

步驟四：建立能量吸收分析模型；

步驟五：驗證能量吸收分析模型；

步驟一中所述的建立不同厚度和質量分數落錘沖擊計算模型，具體是指：

選取平板厚度t和纖維質量分數ω作為在研究LFT平板落錘沖擊能量吸收特性的主要材料參數；

厚度包括m種、質量分數包括n種，把m種厚度和n種質量分數交叉組合建立m×n種形式LFT平板，每種LFT平板計算6種落錘沖擊速度下的仿真模型，并保證2個模型中落錘發生了回彈，其余4個模型中落錘穿透了LFT平板；

在落錘沖擊的多尺度耦合有限元模型中，研究LFT平板在中等應變速率以內落錘沖擊能量吸收能力的變化情況，將落錘初始沖擊速度設置在中等應變速率，去掉重力場以忽略勢能的變化；

步驟二中所述的研究落錘回彈時，LFT平板能量吸收特性，包括以下步驟：

(1)假設落錘在沖擊LFT平板過程中，動能的變化完全是由材料失效所消耗的能量而引起的，無論在落錘回彈還是穿透LFT平板的工況下，落錘動能轉化成的功就是平板吸收的能量；

(2)按照質量分數分組，繪制落錘動能轉化成的功與落錘初始沖擊速度的曲線，分析落錘出現回彈和落錘穿透LFT平板時，所有厚度LFT平板所吸收消耗的能量和落錘初始沖擊速度之間的關系；

(3)參照復合材料層合板低速沖擊特性研究中，復合材料層合板吸收能量和落錘沖擊能量存在著冪函數關系，通過式(1)形式的冪函數對LFT平板落錘回彈時的數據進行非線性擬合，得出不同質量分數下擬合參數和擬合曲線：

其中：W為落錘動能轉化成的功，c和d為擬合參數，v₀為落錘初始沖擊速度；

(4)根據擬合的曲線，求得在落錘回彈時LFT平板所吸收的能量，預測回彈落錘剩余的能量和速度；

步驟三中所述對不同纖維質量分數、不同厚度LFT平板進行非線性擬合，獲得落錘臨界穿透速度和最小穿透能量，包括以下步驟：

(1)利用線性擬合的方法將每種LFT平板穿透時吸收的能量進行處理，每條直線與非線性擬合的冪函數曲線有一個交點，該交點表示落錘以不同初始速度沖擊LFT平板時，存在一個落錘沖擊臨界穿透速度v_l，剛好使得落錘穿透LFT平板，如果初始速度小于v_l，則落錘發生回彈；

(2)將落錘初始速度在v_l時，LFT平板吸收的能量定義為最小穿透能量，用U_minp表示；

(3)利用方程(2)，對不同纖維質量分數下，不同厚度LFT平板被落錘沖擊的初始速度和參與速度進行非線性擬合，來獲得落錘沖擊臨界穿透速度v_l，此外，定義當落錘回彈時，v_r始終等于0；

其中：v_r表示穿透LFT平板后殘余速度；

k為擬合參數；

v₀表示落錘初始速度；

v_l表示落錘沖擊臨界穿透速度；

(4)繪制不同纖維質量分數下，LFT平板被落錘穿透時，落錘參與速度和落錘初始沖擊速度的擬合曲線，并得到落錘沖擊臨界穿透速度v_l，擬合參數k，標準方差R²；

(5)將擬合得到各種形式LFT平板被穿透的臨界穿透速度，按式(3)進行計算，得到落錘臨界穿透速度沖擊時，LFT平板吸收的能量，即最小穿透能量U_minp：

其中，m_p表示落錘質量；

U_minp表示最小穿透能量；

v_l表示落錘沖擊臨界穿透速度；

步驟四中所述建立能量吸收分析模型，包括以下步驟：

首先，對落錘沖擊LFT平板回彈過程中，能量的耗散和轉移進行分析和定義；

其次，當落錘沖擊能量為0，或者當穿透發生時材料LFT平板返回給落錘的彈性能U_el為0的前提下，針對具有應變率效應的LFT平板，建立彈性能量U_el、落錘沖擊能量U_imp和最小穿透能量U_minp的函數關系式(4)：

式中：指數α通過試驗數據或仿真結果擬合而成；

落錘沖擊能量U_imp的研究范圍是[0，U_minp]；

再次，根據材料LFT平板吸收能量U_abs的定義，得到表示式如下：

U_abs表示LFT平板吸收能量；

最后，采用最小穿透能量U_minp對式(5)進行歸一化的處理，得到式(6)：

為了確定式(6)中指數α的值，將落錘回彈仿真模型，計算得到的落錘沖擊能量和平板吸收能量，利用對應平板最小穿透能量，進行歸一化處理，再根據式(6)進行非線性擬合，建立能量吸收分析模型；

步驟五中所述驗證能量吸收分析模型，是指：

進行沖擊特性試驗，得到沖擊之后穿透平板后殘余速度和落錘初始沖擊速度的曲線，在曲線上提取落錘初始沖擊速度、落錘沖擊能量和平板吸收能量，并根據最小穿透能量進行歸一化處理；對計算得到的能量吸收系數與能量吸收分析模型預測值進行對比，并進行誤差分析，驗證能量吸收分析模型的正確性。