航空电磁窗用复合材料层合板低速冲击仿真模拟研究

周翔

摘 要：本文使用ABAQUS有限元软件来模拟复合材料层合板的冲击瞬态响应。根据以下假设研究冲击的瞬态响应：冲击头与复合材料层合板之间摩擦忽略不计;复合材料层合板的阻尼作用忽略不计;冲击过程中的重力忽略不计;将冲击头视为刚体。对层合板低速冲击的分层损伤情况、冲击力--时间、冲头位移--时间进行数值模拟预测，预测了复合材料层合板分层的方向和形状。

关键词：复合材料;层合板;仿真模拟

本文使用Abaqus/Explicitv6.14显式求解器进行仿真，使用Abaqus/Explicit中编写的VUMAT用户子程序获得本构模型。[1-2]层合板层和界面的个体本构关系为非线性响应。通过基于三维渐进累积损伤分析方法来模拟层合板的损伤。对平面内剪切载荷作用下的塑性变形和破坏进行建模，得到基体的剪切响应。层间破坏通过使用粘性区域元素解决，对其破坏演化进行模拟[3-4]。

1 复合材料层合板有限元模拟

1.1 层合板几何模型

层合板几何尺寸为150×100mm，厚度2.6mm。铺层方式为[（45/0）/（-45）/90]5，共20层，单层厚度0.13mm。用Cohesive实体单元模拟分层损伤，有限元模型如图1所示：

三维有限元模型是在Abaqus/Explicit显式中生成。该模型由150×100mm的三维可变形层合板组成，夹具底座为钢制，底座有125×75mm的矩形开口、四个直径为14mm的刚性圆柱形夹具和一个直径为16mm的刚性半球形冲击头组成。

层合板被建模为三维可变形板实体，该板由20层0.13mm等厚的单向复合层组成。在模型中，每一层被视为单一均匀厚层。平面内网格在沖击区域进行加密处理。

1.2 接触的定义

接触是通过Abaqus/Explicit中的一般接触算法进行模拟的。在整个模拟过程中，任何可能的新接触都将被考虑在内。通过定义事先已知的接触（即一层一层地）并且从接触算法中排除内聚性元素，提高接触算法的效率。

通过Abaqus/Explicit内置的摩擦模型在所有接触表面之间引入摩擦。摩擦系数取决于接触材料和表面质量，本文摩擦系数设为0。

1.3 边界条件及载荷

夹具底座为矩形钢件，开有125×75mm的矩形开口。有1220个二次刚度单元（ABAQUS中的R3D4库）用于夹具底座的离散化。根据标准试验对参考点的自由度进行了约束。在测试夹具中，层合板固定在装置底座上，四个独立的刚性夹头将层合板进行固定。在冲击过程中，夹头将样品约束，所有自由度均固定。使用刚性元件（R3D4）建模。边界条件如图2所示。

2 分析与讨论

2.1 冲击凹坑深度

冲击凹坑深度是比较直观的对比参数，使用ABAQUS中显示结果中读取仿真模拟值，与实测值进行比较，如表1所示。

将层合板在五种能量冲击后的凹坑深度平均值作为试验值，本章所用数值模拟方法得到的结果作为计算值，通过比较，试验值与模拟值较为接近，30J能量进行冲击时的误差最小。

2.2 冲击损伤面积

使用ABAQUS中显示结果中读取仿真模拟值，从仿真模拟的结果与试验测试结果对比中可以看出，分层投影面积值与试验测试后C扫损伤面积基本一致。复合材料层合板分层损伤面积的试验值与模拟值对比情况见表2。

2.3 对比结果

对比分析以上数值模拟结果与试验结果发现，在小能量冲击时，误差较大，在中等能量冲击时，误差较小。分析可能的原因有以下两点：①在小能量冲击时，冲击下落过程中的摩擦对最终冲击能量的影响比较大，实际冲击能量与理想的冲击能量会有所偏差;②小能量冲击产生的凹坑深度和损伤面积都较小，此时测量误差会产生较大的影响。总体来说，误差还是在合理的范围之内。

3 总结

复合材料层合板低速冲击数值模拟研究使用ABAQUS有限元软件来对复合材料层合板的冲击瞬态响应进行计算仿真模拟。根据以下假设研究冲击过程瞬态响应：冲击头与复合材料层合板之间摩擦忽略不计;复合材料层合板的阻尼作用忽略不计;冲击过程中的重力忽略不计;将冲击头视为刚体。通过仿真模拟，层合板各层损伤形貌大致呈椭圆形，分层损伤为靠近冲击面的分层损伤较小，然后逐渐增大后减小的一种趋势。对比分析试验结果和计算结果，其一致性表明，将三维渐进损伤分析方法用于层合板低速冲击模拟是有效和可靠的。

参考文献：

[1] Kumar S， Purohit R， Malik M M. Properties and applications of polymer matrix Nano composite materials[J].Materials Today： Proceedings， 2015，2（4-5）：3704-3711.

[2] Kelly A. Comprehensive composite materials[J].Materials Today， 1999，2（1）：20-21.

[3] Bogenfeld R， Kreikemeier J， Wille T. Review and benchmark study on the analysis of low-velocity impact on composite laminates[J].Engineering Failure Analysis， 2018（86）：72-99.