基于ABAQUS碳纖維樹脂基復合材料抗沖擊性能研究

陳鑫 馬士東 劉升輝

摘 要：隨著復合材料的工藝越來越成熟，其良好的物理性能，如比強度高、比剛度高、比模量高、耐腐蝕性好、結構重量輕等優良性能，得到了航空領域的一致認可。但復合材料的抗沖擊性能比較差，當其受到外來物沖擊時可能造成嚴重的損傷，因此使研究成為了必要。本文對有限元軟件ABAQUS做了簡要說明，并用其對碳纖維樹脂基復合材料層合板的沖擊進行建模模擬，對沖擊后層合板失效性能做了簡要分析。

關鍵詞：碳纖維樹脂基；復合材料；沖擊；ABAQUS建模；失效分析

復合材料是一種非均勻的混合物，具有多種分類。其中纖維復合材料由于比重小，比強度和比模量大，而用量最大，應用最廣。最常見的形式之一是交錯粘合的層合板，層合板是由一層層的纖維平行鋪設后，再注入未固化的環氧樹脂或其他基體材料，其中基體在纖維問起傳遞載荷的作用，使纖維能夠承受壓縮和剪切裁荷。[1]

1 ABAQUS簡介

ABAQUS 公司根據用戶的反饋不斷解決各種技術難題并改進軟件，如今，ABAQUS軟件已經逐步完善，從簡單的線彈性靜態問題到復雜的高度非線性問題，從單個零件的力學分析到多個龐大復雜系統的多物理場耦合分析，ABAQUS都能駕馭。具體而言，ABAQUS除了能有效的 進行靜態和準靜態分析、模態分析、瞬態分析、接觸分析、彈塑性分析、幾何非線性分析、碰撞和沖擊分析、爆炸分析、屈曲分析、斷裂分析、疲勞和耐久性分析等結構分析和熱分析外，還能進行流固耦合分析、熱固耦合分析、聲場和聲固耦合分析、壓電和熱固耦合分析、質量擴散分析等。[2]

2 動態接觸理論模型

下面介紹兩種接觸理論模型，第一種由Herz提出，該算法一般將沖擊物看作剛體，不受外力沖擊而變形，將受沖擊板作為形變體，假設脈沖時間和壓力峰值受沖擊物的速度、質量和材料彈性性能的影響。

第二種采用Belytschko提出的一種理論，一般用在傾斜沖擊或者接觸面需要隨時間作調整的沖擊模型中，沖擊物在接觸過程中一般認為有三個階段：沖擊物與沖擊板產生預接觸、由于內部結構性能使接觸產生一定改變、沖擊物根據滑移。但是，由于缺少接觸限定條件，使接觸算法有效性存在一定局限性問題。

本文采用直接接觸模型，利用Herz接觸模型理論，結合動態沖擊響應，模擬沖擊物沖擊板的低速沖擊。

3 復合材料失效準則

4 本次建模算例

層合板的長度為100mm，寬度為50mm，每一鋪層的厚度為0.12mm，鋪層順序為[0/45/-45/90]，材料為TM6/3501-6，材料屬性：E1=21000MPa，E2=E3=8400MPa，泊松比μ=0.3，G12=G13=4780MPa。

建模過程：

首先創建幾何模型，創建Lamina材料，定義材料鋪層（材料鋪層如圖1所示）。

鋪層方向對層合板受力的影響：

不同的鋪層方向對復合材料本身結構性能有一定的影響，在沖擊過程中分層由復合材料性質和結構決定。

復合材料層合板按照不同的鋪層順序會有不同的結構特性，由于結構特性不同在受沖擊載荷的影響下，其損傷形式也不同，由于復合材料層合板存在基體開裂，鋪層之間受相同載荷的情況下受力不同，理論上，分層會因為基體開裂而加劇。所以在低能量沖擊中，選取合適的鋪層方向有利于提高層合板抗沖擊性能。鋪層順序看似簡單，其性能聯系有助于在未來復合材料工藝設計、制造、加工時提供優越的性能提升。

建立動態沖擊過程，模擬低速沖擊落錘實驗。落錘沖擊實驗原理：以規定質量和尺寸的落錘從一定高度沖擊實驗樣品的規定部位，即可測出該樣品的真實沖擊率。本實驗模擬落錘實驗機沖頭形狀，用帶有半球形沖頭的圓柱體對層合板進行沖擊，建立沖擊物模擬落錘試驗機的落錘。

ABAQUS所建模型如圖2所示，模擬沖擊后受力云圖如圖3所示。

層間應力云圖如圖4所示，損傷由沖擊點開始向四周擴散，由圖4可以看出損傷呈雙錐形，隨厚度增加，損傷面積增大。

5 結論

本文基于ABAQUS對碳纖維樹脂基復合材料進行了沖擊損傷模擬，通過失效準則對沖擊后層合板失效分析，ABAQUS為失效擴散演化提供了較好的支持。復合材料層合板在受沖擊載荷的作用下，沖擊變形的損傷面積隨層合板的厚度增加而不斷增大，這與考慮進基體開裂因素得出的結論相符合。

參考文獻：

[1]陳平，于祺，路春.纖維增強聚合物基復合材料的界而研究進展[J].纖維復合材料，2006，22（1）：53-59.

[2]劉展，祖景平，錢英莉，周華樟.ABAQUS 6.6基礎教程與實例詳解.中國水利水電出版社，2008.

[3]杜善義.復合材料及其結構的力學設計，應用和評價[M].哈爾濱工業大學出版社，2000.