航空復合材料薄壁殼體高速沖擊損傷特性仿真研究＊

韓志杰，劉振宇

（河北科技大學，河北 石家莊 050018）

目前，航空復合材料通常以薄壁結構的形式出現，比如飛機的機翼、尾翼、機身蒙皮、隔框等諸多部位。航空復合材料的薄壁殼體為鋪層結構，鋪層結構的層間載荷主要是由基體傳遞。當薄壁殼體受到外部高速沖擊后，會出現基體開裂、纖維斷裂、面板分層或者棉芯脫粘等各種結構損傷，這些損傷是對結構的毀滅性破壞[1-3]。因此，研究高速沖擊下復合材料薄壁殼體損傷尤為重要。

近年來，針對復合材料層板高速沖擊損傷問題的研究[4-6]比較多，對復合材料層板沖擊理論分析和數值仿真分析[7-9]也有較多報道?，F有的高速沖擊損傷研究主要是針對復合材料層合平板的研究，對復合材料加筋板的高速沖擊損傷研究還沒有文獻報道。為了提高薄壁結構的整體剛度，通常在薄壁結構內層增加加強筋，也可以加強層合板結構的薄壁復合材料的穩定性和使用能效[10]。但是，薄壁結構的復合材料動態力學性能影響因素比較多，加強筋對壁板有限元建模復雜，致使薄壁結構復合材料加筋結構高速沖擊豎直分析存在較大困難。本文通過建立具有加強筋的薄壁殼體復合層板有限元分析模型，在沖擊柱體高速沖擊作用下，研究了不同結構形式下薄壁殼體復合層板高速沖擊后的速度損耗和漸進損傷性能。

1 復合材料薄壁殼體有限元模型分析

本文將采用非線性有限元方法，對利用航空復合材料的尾翼部件薄壁殼體結構進行研究，通過建立薄壁殼體及加筋結構沖擊損傷有限元分析模型，施加高速沖擊載荷，分析不同狀態下加筋薄壁殼體的抗彈性和高速沖擊損傷特性，基于此來探討薄壁殼體幾何參數對損傷特性的影響。

2 薄壁殼體的相關情況

2.1 薄壁殼體結構及組成

試驗研究對象為某航空運輸機中尾翼部分，其采用加筋殼體的復合材料，型號為CCF300/5228A。該復合材料為多層無卷曲織物編織以鋪層方式纖維纏繞成型，鋪層順序為[45°/0°-45°/90°/0°2/45°/0°/-45°/0°]2s。該加筋殼體的形狀和設計的幾何尺寸如圖1和圖2所示。

圖1 加筋薄壁殼體結構

圖2 加強筋

2.2 薄壁殼體的單元類型及參數

基于ABAQUS有限元軟件，建立航空復合材料薄壁殼體加筋板有限元模型。對模型進行網格劃分，采用8節點一階減縮積分體單元（C3D8R），并且在單層板層間引入界面單元，用于模擬層合板層間分層。材料參數如表1和表2所示。

2.3 殼體與加強筋連接單元

在傳統工藝中，在金屬材質薄壁殼體表面增加筋板，通常采用焊接或鉚接的方式將壁板與筋條連接起來。然而，在復合材料層合板中，如果鉚接，會破壞層間連續纖維，影響結構力學性能；如果焊接，很難使壁板與筋條接觸面之間的材質完全融合，會影響加筋效果。因此，在航空材料中，在薄壁殼體上，加強筋常采用共固化一體成型的方式增加，這種方式獲得的筋條與殼體之間的連接與復合材料多層連接近似，可采用界面單元模擬筋條與殼體之間連接。通過對界面單元的分析，并結合筋條材質的實效準則，用于模擬加強筋與殼體之間的脫粘過程。

在薄壁殼體有限元模型中，加強筋與殼體之間采用共點方式處理，可以保證界面點位移的連續性。由于加筋板部分結構尺寸相對于薄壁殼體尺寸比較小，為了便于計算，采用4節點一階減縮積分殼單元（S4R），界面單元采用8節點COH3D8。

表1 基體材料性能參數

表2 單層板性能參數

3 損傷、損耗分析

3.1 加筋薄壁殼體速度損耗分析

薄壁殼體壁厚為5 mm，加強筋尺寸采用圖2中給定尺寸，復合材料的薄壁殼體與加強筋固化為一體，作為被沖擊對象。沖擊對象采用端部為半圓球形的剛性圓柱體，直徑為8 mm，初始速度設定為200～1 000 m/s，高速沖擊的數值模擬。為了研究加強筋對薄壁殼體的降速影響，設定圓柱體沖擊位置在加強筋正上方中點位置。

圖3給出了高速沖擊后薄壁殼體和加筋后的薄壁殼體對沖擊彈體的速度損耗對比。分析發現，增加了加強筋的薄壁殼體，當沖擊點在加強筋上時，對高速沖擊下的速度損耗有一定程度提高，但是提高的幅度隨著速度的增加而逐漸降低。當初始速度處于較低狀態時，加強筋對高速沖擊薄壁殼體的速度損耗較大，甚至可以達到40%，當初始速度達到700 m/s以上，幾乎沒有影響。由此可見，通過加強筋來限制復合材料薄壁殼體的沖擊損傷，只能應用于低速沖擊狀態下，這種方式在高速沖擊狀態下的作用會逐漸減弱。

圖3 加筋薄壁殼體速度損耗分析

3.2 薄壁殼體的漸進損傷分析

具有加強筋的薄壁殼體在高速沖擊作用下，會對整體復合層板產生宏觀上的基體損傷，損傷形式包括纖維斷裂、基體壓潰、基體微裂紋和壁板脫粘等，這些損傷的存在會影響構件的剩余強度。

研究對象：薄壁殼體厚度為5 mm，沖擊柱體直徑為8 mm，沖擊速度為500 m/s，沖擊位置設定在相鄰兩加強筋中間的殼體表面。圖4給出了薄壁殼體在柱體高速沖擊下4種破壞形式的損傷狀態，圖5中給出了薄壁殼體復合層板在高速沖擊作用下纖維拉伸破壞、基體拉伸破壞和基體壓縮破壞區域，隨層板破壞深度損傷面積變化的規律。圖示結果表明，薄壁殼體的破壞形式主要是纖維拉伸破壞，基體拉伸破壞區域最大，破壞位置主要集中在沖擊柱體與層合板接觸表面，沿殼體厚度分布不均勻，并呈現大面積的斷裂，這說明該復合材質的薄壁殼體是由纖維組織控制破壞區域。然而，該復合材質的薄壁殼體纖維壓縮破壞并不明顯。薄壁殼體內基體的壓縮破壞發生區域為沖擊孔內部及邊緣，宏觀上呈現沖擊柱體與薄壁殼體層合板接觸區域的基體壓潰。

圖4 薄壁殼體沖擊破壞形式

圖5中顯示，纖維拉伸破壞對沖擊柱體穿透孔起主導作用，穿透孔面積與纖維拉伸破壞面積基本相等（50 mm2），這是由于薄壁殼體的復合材質本身具有彈性?；w壓縮破壞面積略大于穿透孔面積，基體拉伸破壞面積遠遠大于穿透孔面積，部分層設置達到沖擊柱體橫截面積的10倍。基體拉伸破壞面積趨勢線的變化規律為：沿著沖擊方向，隨著厚度的深入，先逐漸變小，當達到層合板中間層時，破壞面積逐漸增大，在層合板底層達到最大值。這是由于層合板層間粘連作用力從中間層向兩端逐漸減小，在高速沖擊下對層合板各層破壞面積產生影響。

圖5 不同破壞形式下破壞深度與損傷面積關系

4 結論

復合材料薄壁殼體內表面的加強筋對低速沖擊下的速度損耗有一定程度的影響，隨著沖擊速度的加快，速度損耗將逐漸降低，對薄壁殼體的保護將逐漸減弱。

對于復合材料薄壁殼體，高速沖擊下的破壞形式是以纖維拉伸破壞為主，其中，基體拉伸破壞區域最大。沿著沖擊方向，隨著厚度的深入，破壞面積先逐漸變小，當達到層合板中間層時，破壞面積逐漸增大，在層合板底層達到最大值。

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