FRP-金屬混雜層合板低速沖擊損傷數(shù)值分析.pdf

1、纖維增強(qiáng)金屬層合板（FiberReinforcedMetalLaminates,簡稱FRMLs）是在上世紀(jì)80年代初，由荷蘭的J.Schije、L.B.Vogelesang和荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)航空系材料研究室始創(chuàng)的旨在用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的非疲勞敏感性材料。它是將鋁合金薄板與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)合起來而產(chǎn)生的一種新型結(jié)構(gòu)材料，與相應(yīng)的單一輕金屬合金相比，它質(zhì)輕、耐疲勞；與傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)層合板（FiberReinforcedPlastic,簡稱

2、FRP）相比，其優(yōu)點是：它能像常規(guī)金屬合金薄板那樣進(jìn)行處理和加工。經(jīng)過20多年的研究，人們對FRMLs的常規(guī)性能已有了較深入的了解，但是對于其沖擊性能以及缺口件強(qiáng)度特征等方面的認(rèn)識，無論是實驗研究、理論分析，還是數(shù)值計算方面均存在很大不足，而鑒于其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的日益增加的應(yīng)用需求，對該領(lǐng)域的研究又顯得尤為重要和緊迫。FRMLs在制造、使用和維護(hù)過程中不可避免地會受到意外物體的沖擊（許多情況下是低速沖擊），從而造成結(jié)構(gòu)的損傷和承載能力的下

3、降。而這樣的低速沖擊損傷往往在表面難以發(fā)覺，因此存在著很大的潛在危害性。層合板的低速沖擊（LowVelocityImpact，簡稱LVI）一直是學(xué)者們關(guān)注的重要課題。但關(guān)于新型復(fù)合材料FRMLs的沖擊性能研究，其成果非常有限。復(fù)合材料的沖擊損傷過程非常復(fù)雜。首先涉及到?jīng)_擊-接觸問題，另外還要考慮在沖擊過程中層合板的主要損傷模式（基體開裂、分層），以及應(yīng)用合適的模型及相應(yīng)的處理方法。本文在三維動態(tài)有限元分析的基礎(chǔ)上，分別對沖頭和層合板劃分

4、網(wǎng)格，建立兩者在沖擊過程中的沖擊-接觸關(guān)系，采用顯式中心時間差分法對運動方程求解。在分析了層合板損傷的基本形式及其力學(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上，引入修正的Hashin基體失效準(zhǔn)則和Choi-Chang在應(yīng)力分量的基礎(chǔ)上提出的分層判據(jù)，分別對沖擊過程中的基體開裂和層間分層兩種損傷模式進(jìn)行判斷；并利用剛度退化和解除耦合節(jié)點自由度的方法來模擬損傷對層合板結(jié)構(gòu)的影響。通過對若干種層合板結(jié)構(gòu)的沖擊損傷模擬，得到如下主要結(jié)論：1）本文所建立的層合板低速沖擊損傷

5、模型，不僅能夠有效的模擬層合板的低速沖擊動態(tài)響應(yīng)，還能夠根據(jù)層合板在沖擊過程中的損傷模式（基體開裂、分層）進(jìn)行相應(yīng)的處理（剛度退化、釋放耦合節(jié)點自由度），計算得到的數(shù)值結(jié)果與文獻(xiàn)中的試驗觀測結(jié)果相吻合。2）層合板在低速沖擊過程中，存在一個能量閥值，低于該值的沖擊能量不會對層合板造成損傷；以沖擊損傷能量閥值和沖擊造成的分層面積為衡量結(jié)構(gòu)抗沖擊損傷性能參數(shù)，從FRP和FRMLs的對比研究發(fā)現(xiàn)，后者的抗沖擊性能要明顯優(yōu)于前者。3）與FRP相比