复合材料T型接头冰雹高速撞击损伤的数值模拟.pdfVIP

第34卷第4期 爆炸与冲击 V01．34，No．4 2014年7月 EXPLOSl0NANDSH()CKWAVES Jul．，2014 文章编号：1001—1455(2014)04—045I-06 复合材料T型接头冰雹高速撞击损伤的数值模拟+ 刘建刚，李玉龙，索 涛，崔 浩 (西北工业大学航空学院，陕西西安710072) 摘要：利用高速空气炮进行了冰雹撞击复合材料T型接头的实验，研究了不同撞击速度下结构的损伤情 况。同时，采用光滑质点流体动力学方法与黏聚区模型相结合的方法，对冰雹撞击复合材料T型接头进行了 数值模拟。通过与实验结果的对比，验证了数值模拟模型的有效性。在此基础上，利用数值模型研究了影响 复合材料T型接头冰雹撞击损伤的各种因素。计算结果表明：冰雹撞击对复合材料T型接头造成的损伤主 要为分层损伤；冰雹的撞击速度、尺寸、入射角等，都对T型接头的损伤程度有很大影响；T型接头的分层面 积与冰雹的撞击能量之间呈近似线性关系，分层面积随着撞击能量的增大而增大；冰雹的入射角越大，分层面 积与撞击力峰值也越大。 关键词：固体力学；分层损伤；黏聚区模型；复合材料T型接头；冰雹；高速撞击 中图分类号：0346．5；TB330．1国标学科代码：1301540文献标志码：A 飞机在飞行过程中，机翼、尾翼前缘、机身前段以及发动机吊舱等都容易受到冰雹撞击。复合材料 在飞机结构中的应用日益广泛，而冰雹撞击对复合材料结构所造成的损伤主要为目视不可检损伤，这种 内部损伤会大大降低结构的剩余强度，对结构的承载能力造成很大影响。由于冰雹撞击实验费用高、难 度大，因此利用数值模拟手段模拟冰雹撞击过程，评价影响结构性能的各项参数，对复合材料结构的抗 冰雹撞击设计具有重要的指导意义。 3设计了一种 在冰雹撞击试验和数值模拟方面，已有了大量研究并取得了较多成果。S．Singh等n 动态测量装置，得到了冰雹撞击的撞击力。M．Lavoie等口1建立了一个简单的冰的弹性光滑质点流体动 力学(smoothed particle 板件，发现撞击力峰值与能量呈线性关系。H．Kim等[41采用带失效的弹塑性材料模型模拟冰雹的力学 雹撞击过程及其力学行为，且具有最小的计算时间和较高的计算精度。T型接头是复合材料机翼或加 zone 筋板中最常见的结构单元。D．D．R．Carti6等卟]利用黏聚区模型(cohesivemodel，CZM)预测了复 合材料T型接头在拉伸载荷下的失效。崔浩等[73利用CZM模拟了T型结构根部填充区的随机裂纹扩 展，研究了T型接头的拉伸失效行为。但迄今为止，对于冰雹撞击复合材料T型接头的研究仍然较少。 本文中，利用高速空气炮进行冰雹撞击复合材料T型接头的实验，采用SPH与CZM相结合的方 法，建立冰雹撞击复合材料T型接头的数值模型，实验结果用于对数值模型结果的验证，并运用验证后 的数值模型研究影响复合材料T型接头损伤的因素。 1 实 验 mm T型接头由3个层合板共固化而成，如图1所示，层合板材料为T700／QY8911。接头长200 (z轴)，高120ram(z轴)，宽50mm(y轴)。接头根部填充区为圆弧过渡区，内部由单向带填充。其中 子层1与子层2的弧形区半径为5mm，铺层数为13层，铺层间方向错开，顺序为一45。、0。、45。、90。、 mm。 45。、0。、一45。、90。、0。、45。、0。、一45。、0。、45。、一45。，复合材料单层厚度为0．125 *收稿日期：2012—12—07；修回日期：2013-03一11 作者简介：刘建刚(1986一