車用復合材料沖擊損傷和殘余強度的預測方法

車用復合材料沖擊損傷和殘余強度的預測方法

實現汽車輕量化是改善燃油經濟性、降低污染物排放的有效措施。與傳統金屬材料相比，復合材料具有較高的強度、剛度以及優越的抗疲勞特性。但是，由于復合材料的生產率較低且對復合材料認證的周期也較長，因而導致復合材料成本較高，阻礙了復合材料的應用。為此,給出復合材料沖擊損傷和殘余強度的預測方法，以盡可能降低物理試驗次數，加快復合材料認證，盡可能地降低復合材料的生產成本。

車用復合材料的損傷可以分為層內損傷和層間損傷，損傷多由低速沖擊產生。低速沖擊損傷在沖擊表面不易被發現，但復合材料結構的殘余強度顯著下降。在對沖擊損傷和殘余強度進行預測時，基于Puck失效準則可判斷沖擊負荷下復合材料是否發生損傷，該準則給出了層內損傷標準和層間損傷標準。在判斷復合材料出現損傷后，損傷區域內材料的性能將發生退化，損傷處的層內纖維和層間纖維將出現相對滑移，將這種滑移產生的角度稱為斷裂面角度。將復合材料失效時層內纖維和層間纖維的相對滑動角度定義為最大斷裂角度。基于最大斷裂角度對復合材料的退化程度進行評價，評價采用剛度折減方法，即根據損傷發生處的斷裂面角度與最大斷裂面角度比值對損傷處的剛度進行折算，從而確定復合材料的沖擊損傷和結構殘余強度。該預測方法可利用有限元軟件實現，如ABAQUS軟件。對該方法進行驗證時，選擇T700/M21單向碳纖維/環氧復合材料層壓板進行物理沖擊試驗，并利用ABAQUS軟件對沖擊后損傷的復合材料進行仿真。結果顯示，所提出的方法能夠有效預測復合材料的損傷，判斷復合材料的失效，具有較高的效率。

BrianFalzonetal.SAE 2016-01-0497.

編譯：張振偉