复合材料结构冲击失效判定方法

周秋萍 熊铃华 张克武

摘要：针对汽车底部复合材料结构受冲击失效难以直接测量的问题，利用数值仿真技术分析复合材料结构受冲击物击打变形的规律，提出通过应变区域范围判断结构失效的方法。该方法通过远端应变反映打击点附近的应变。复合材料平板冲击失效案例说明该判定方法所测应变准确，且不需要大量程应变片，测试简单方便、成本低。

关键词：复合材料; 冲击; 失效; 应变; 区域范围

中图分类号：U465.6;TB115.1

文献标志码：B

Failure determination method on impact of composite structure

ZHOU Qiuping1， XIONG Linghua2， ZHANG Kewu1

（1. Institute of Industry Technology， Guangzhou & Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 511458， China;

2. Guangzhou GRG Metrology & Test Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

Abstract：

As to the issue that the impact failure of compositestructures at automobile bottom is difficult to measuring directly， the deformation rule of composite structures subjected to impact is analyzed using numerical simulation technology. A method to judge structural failure using strain domain range is presented. By this method， the strain near impacting point is reflected by the strain at far distance. The impacting failure case of composite plate shows that the strain measured by this method is accurate， and it does not need large range strain gauge， which can make the test more simple and convenient， and that means low cost.

Key words：

composite; impact; failure; strain; domain range

收稿日期：2019-07-29

修回日期：2019-08-28

作者簡介：

周秋萍（1984—），女，广东广州人，助理研究员，研究方向为固体力学，（E-mail）zhouqp@gziit.ac.cn

0 引 言

在汽车高速行驶的过程中，不可避免会溅起路面上散落的石子。这些飞溅起的碎石击打在汽车底部，会造成汽车底部结构发生损伤破坏，影响汽车的安全性能。汽车底部时常会采用一些复合材料，这些复合材料几乎没有塑性变形阶段[1]，所以合理判断其结构的失效就显得非常重要[2-3]。飞石冲击结构件发生破坏属于局部冲击破坏[4]，

很难通过直接测量打击点附近的应变判定结构是否失效[5]，而且直接测量损伤是最繁琐低效的方法[6]。因此，提出一种通过远端应变反映打击点附近应变的方法，结果所测应变准确，且不需要大量程应变片，测试简单方便且成本较低。

1 结构受飞石冲击应变分布规律

1.1 模型建立

采用HyperMesh进行建模，选择LS-DYNA作为求解器。受打击结构采用六面体划分网格，并在打击点位置进行网格局部细分，飞石为刚体材料，直接划分为四面体网格。

飞石与受打击结构之间的接触方式采用Automatic_Surface_to_Surface，接触打击区域采用Segment方式设置。

受打击物取复合材料平板，平板四周固定端约束所有自由度。飞石质量为32.6 g，直接施加初始速度，飞石打击方向垂直于复合材料平面，飞石打击复合材料平板有限元模型见图1。

1.2 材料本构

LS-DYNA提供丰富的材料库，含有300多种材料本构模型。试验中复合材料平板采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料模型，材料的弹性模量取3 100.0 MPa，泊松比取0.4，屈服应力取27.8 MPa，材料的塑性段应力-应变曲线见图2。

1.3 仿真分析结果

飞石的速度分别取15、20、25、30、35和40 m/s，平板最大主应变大于1%的区域见图3，飞石速度与主应变大于1%区域半径的关系见图4。

2 结构冲击失效判定方法

分析结构受飞石冲击应变分布规律可知，在材料给定的情况下，局部冲击破坏变形随着其与打击点距离的增大而减小，大于设定应变值的应变区域随着冲击程度增大而增大。

大于设定应变值的应变范围与损伤程度存在对应关系，该范围大到一定程度时说明材料内部发生损伤。在打击点局部依靠应变片测量应变非常困难，可通过应变区域大小判定损伤程度。

结构受飞石冲击时，飞石质量m、飞石速度v、受打击材料弹性模量E和材料失效应变ε0不同时，受打击结构会有不同的应变分布。通过这一分布可以得到大于某一应变的区域范围，用该区域范围衡量结构的损伤程度。该区域范圍可以用2个尺度d和w进行衡量，应变ε>ε1的区域范围表示为d1 和w1 ，见图5。d1 和w1 都是飞石质量m、飞石速度v、受打击材料弹性模量E和材料失效应变ε0的函数。

设结构失效时飞石速度为v=v0，则d1 =f（m，E，ε0，v0），w1 =g（m，E，ε0，v0）。

根据试验测得应变大于ε1的区域范围d1 和1 ，如果d1 >d1 、1 >w1 ，可认为结构受飞石冲击失效。

3 结构失效判定方法案例

以图1复合材料平板冲击失效案例说明结构失效判定方法。材料失效应变取6%，由于大部分应变片量程为20 000×10-6 ，取大于2%应变的区域范围衡量结构是否失效。数值仿真分析可以得到打击速度为28.5 m/s时结构最大主应变为6%，结构发生失效。失效临界工况平板最大主应变计算结果云图见图6，平板x向应变大于2%区域范围的应变云图见图7。

通过上述分析可知，m=32.6 g飞石击打材料弹性模量为3 100 MPa、失效应变为6%的平板时，失效临界工况x向应变大于2%区域的尺度d=16.3mm，w=6.7 mm。

根据试验可测得应变大于2%的区域范围d2% 和2% ，如果d2% >16.3 mm、2% >6.7 mm，可认为结构受飞石冲击失效。

4 结束语

与金属相比，复合材料具有刚度低、各向异性、易成型、基本无塑性变形等特点，针对复合材料的自身特点进行构件设计、对相关构件的冲击失效模式和相关的失效判定标准进行研究有非常重要的现实意义。本文提出通过应变区域范围判断结构失效的方法，是通过远端应变反映打击点附近应变的方法。该方法所测应变准确，且不需要大量程应变片，测试简单，成本低，预期成果实用性强，可完善结构失效判定方法，有较好的工程应用与市场前景。

参考文献：

[1]沈观林， 胡更开， 刘彬. 复合材料力学[M]. 2版. 北京： 清华大学出版社， 2013： 10-200.

[2]张丹丹， 孙耀宁， 王雅. 多轴向玻璃纤维增强树脂基复合材料的破坏特性和损伤机制[J]. 复合材料学报， 2017， 34（2）： 381-388. DOI： 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160606.004.

[3]刘淼. 玻纤增强塑料断裂失效试验与仿真研究[J]. 上海汽车， 2018（6）： 50-53. DOI： 10.3969/j.issn.1007- 4554.2018.06.10.

[4]余同希， 邱信明. 冲击动力学[M]. 北京： 清华大学出版社， 2011： 10-200.

[5]尹福炎. 航空- 航天飞行器结构试验与应变测量技术一本通[M]. 北京： 国防工业出版社， 2013： 10-200.

[6]朱宏平. 结构损伤检测的智能方法[M]. 北京： 人民交通出版社， 2009： 10-200.

（编辑 武晓英）