基于Hashin准则的E_玻纤2_省略_层铺增强复合冲击损伤力学_权国政解释.pdfVIP

文章编号： １００１ － ９７３１ （ ２０１３ ）增刊（ Ⅱ ） － ０３３４ － １０ 基于 Ｈａｓｈｉｎ 准则的 Ｅ － 玻纤 ２Ｄ 编织层铺增强复合材料 冲击损伤力学分析 ＊ 权国政１，２，武东森２，黄小双２，李贵胜２ （ １． 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 ４０００３９ ； ２． 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 ４０００４４ ） 摘 　 要： 　 由拉伸实验获得 Ｅ － 玻纤增强复合板材的基 本力学性能参数，为构建损伤分析模型及冲击 有 限 元 模型提供底层数据。通过弹性力学推导材料正交各向 异性的本构关系，并对本构关系中的刚度矩阵 进 行 数 值解 析，得 到 复 合 材 料 弹 性 本 构 方 程；将 结 果 应 用 于 Ｈａｓｈｉｎ 强度准则，建立以连续损伤力学为基础的正交 各向异性损伤本构模型。将所建立的弹性及损伤本构 关系赋予层合板三维模型，通过 ＡＢＡＱＵＳ ／ Ｅｘ ｐ ｌｉｃｉｔ 软 件模拟弹丸低速冲击 ＧＦＲＰ 板进行复合材料损伤力学 分析，结果表明层合板内部损伤主要是分层和 基 体 开 裂，且层间脱层损伤面积远大于层内损伤，而各层内损 伤模式中最主要的是基体开裂，其次是纤维断裂，而基 体挤压和纤维挤压损伤区域相对较少。当层合板发生 冲击变形后，冲击背部承受较大拉应力，微观上的损伤 扩展演变到一定程度，基体开裂和纤维断裂会 首 先 产 生于 ＧＦＲＰ 冲击背面，而越靠近上表面损伤程度越小。 关键词： 　 复合材料层合板；拉伸实验；数值模拟；本构 模型 中图分类号： 　 Ｖ２５８ ＋ ．３３ 文献标识码： Ａ ＤＯＩ ： １０．３９６９ ／ ｊ ．ｉｓｓｎ．１００１ － ９７３１．２０１３． 增刊（ Ⅱ ） ．０３６ １ 　 引 　 言 纤维增强复合材料具有比 强 度 比 刚 度 高、可 设 计 性强及抗疲劳等优点［１］，借助于合 理 的 结 构 设 计 和 铺 层设计，纤维增强复合材料可实现比部分金属 结 构 材 料更为优越的缓冲吸能特性，因此这类材料广 泛 应 用 于航空航天、工程结构、机械设备、兵器 工 业 和 交 通 运 输等领域。纤维增强复合材料是由纤维和树脂两相组 成，纤维相承受载荷，树脂基体相传递 应 力；两 相 间 界 面是应力传递纽带。两相间的相互作用表现出复杂的 各向异性力学特征，导致复合相材料在冲击载 荷 下 的 损伤模式和破坏机理异常复杂；针对不同的研 究 需 要 选用不同的损伤准则，同时复合相材料的失效 准 则 不 具有普适性，导致表征 其 破 坏 机 理 也 存 在 困 难［２］。复 合材料的失效准则与金属材料不同，金属材料 破 坏 准 则比较统一，常用的 Ｍｉｓｅｓ 强 度 准 则 和 屈 雷 斯 加 失 效 准则，但是复合材料失效无法用金属材料的失 效 准 则 来表征，因为复合材料是各向异性材料，其强度理论是 通过大量的实验研究逐渐发展起来的，但没有 达 成 共 识。纤维增强复合材料服役中，冲击载 荷 导 致 的 材 料 失效占主要部分，因此纤维增强材料的冲击损 伤 和 失 效机理 的 研 究 是 国 内 外 学 者 研 究 的 重 点。其 中 Ｌｅｅ 等［３－６］对高强度聚乙烯纤维 和 纤 维 增 强 树 脂 基 层 胶 合 板受 冲 击 作 用 下 的 损 伤 模 式 进 行 了 研 究。 Ｔａｌｒｅ ｊ ｅ 等［７－８］引入两个不同损伤机制的内变量，建立包含基体 开裂与层间脱层的损伤本 构 关 系。在 Ｔａｌｒｅ ｊ ｅ 研 究 的 基础上， Ｍａｔｚｅｎｍｉｌｅｒ 等［９］提 出 适 用 于 单 向 纤 维 层 合 板的连续损伤模型来描述一类弹脆性复合材料。国内 程小全等［１０］对 复 合 材 料 压 缩 破 坏 行 为 进 行 了 研 究。 王俊勃等［１１］对 玻 璃 布 复 合 材 料 层 间 断 裂 机 理 进 行 了 深入分析。但由于纤维增强复合材料失效准则的破坏 机理非常复杂，目前对编织增强复合材料仍未 建 立 真 正意义上的损伤本构模型对其破坏行为进行分析。 作者选用 Ｈａｓｈｉｎ 破坏准则因为其同 时 考 虑 纤 维 拉伸断裂和压缩屈服折断，基体拉伸断裂和压 缩 开 裂 ４ 种破坏模式，将复杂多样的冲击损伤模式考虑在内， 因此可以更好地描述复合材料冲击力学行为。作者在 宏观尺度上，将 Ｅ － 玻 纤 ２Ｄ 编 织 层 铺 增 强 结 构 简 化 为 多个均质单元层粘合结构，层单元内纤维和基 体 混 为 一体，层单元损伤本构模型来自实验结果的再推导，引 入 Ｈａｓｈｉｎ 准则建立了以连续损伤力学为基础的正交 各向异性本构模型，通过 ＡＢＡＱＵＳ ／ Ｅｘ ｐ ｌｉｃｉｔ 软件对 弹丸低速冲击 ＧＦＲＰ 板进行复合材料损伤力学分析。