一种复合材料层压板低速冲击损伤的数值模拟方法

技术领域

本发明属于航空复合材料静损伤领域，特别是涉及到一种复合材料层压板低 速冲击损伤的数值模拟方法。

背景技术

复合材料层压板受到外来物的低速冲击损伤可能发生如分层、基体裂纹、纤 维断裂和表面破坏等一系列目视勉强可见的损伤。存在此类损伤的层压板压缩强 度可降低到无损板的50%左右。

国内外对复合材料低速冲击损伤的数值计算主要有三种方法：以强度破坏为 准则的计算模型、断裂力学模型和界面单元模型。强度破坏模型不能很好的模拟 分层和树脂裂纹的逐渐扩展过程，但是由于冲击损伤持续时间很短，这种模拟方 法也被广泛应用。

断裂力学模型对网格构型和网格密度很敏感且需要在模型中布置初始裂纹， 同时，这种方法还需要自适应网格技术来跟踪裂纹尖端的变化。

界面单元模型可以方便的模拟分层和树脂裂纹的起始和扩展，但是无法模拟 界面中由冲击引起的压缩载荷对分层破坏的限制作用。

对复合材料层压板低速冲击损伤的数值模拟多采用动态载荷加载模型，耗时 耗力，计算效率较低。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能够减小计算规模、提高计算效率的一种复合材料 层压板低速冲击损伤的数值模拟方法。

本发明的技术方案是：一种复合材料层压板低速冲击损伤的数值模拟方法，利 用到Abaqus商业软件，包括以下步骤：

步骤一、采用连续壳单元SC8R，建立层压板单层模型，单元尺寸为H；

步骤二、采用界面单元COH3D8，建立层压板的层间模型，单元尺寸为H/5；

步骤三、采用界面单元COH3D8，建立层压板的树脂裂纹模型，单元尺寸为 H/5；

步骤四、采用刚体单元，建立冲头模型；

步骤五、将单层模型、层间模型、树脂裂纹模型及冲头模型组合成层压板冲 击模型；其中，层间模型引入层间摩擦力F，模拟层间压缩力对分层损伤的限制 作用，摩擦系数为u；

步骤六、将层压板冲击模式提交到Abaqus/Standard求解器，进行求解；

步骤七、将求解结果与试验结果进行对比，若模拟结果与试验结果一致，则 模拟完成，否则返回步骤五，修改摩擦系数u，继续进行求解，直至模拟结果与 试验结果一致。

本发明的优点是：本发明采用采用准静态载荷代替复杂的动态冲击载荷，减小 了计算规模，提高了计算效率；采用Abaqus/Standard求解器，较 Abaqus/Explicit求解器较大的提高了计算效率，缩短计算时间；在单层面内纤 维方向垂直布置界面单元模拟树脂裂纹，更好的模拟出在低速冲击载荷下较早发 生的树脂裂纹；在层间布置界面单元模拟由树脂裂纹引起的层间分层，较好的模 拟出分层损伤的面积和形状；很好的模拟了树脂裂纹与层间分层的相互作用，得 到了准确的分层损伤的面积和形状；在受压载的层间引入层间摩擦载荷模拟压载 对分层损伤的限制作用，更好的模拟出分层损伤的面积和形状。

附图说明

图1是层压板单层模型示意图；

图2是层间模型示意图；

图3是树脂裂纹模型示意图；

图4是冲头模型示意图；

图5是层压板冲击模型示意图。

图6是模拟结果示意图；

图7是试验结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，请参阅图1至图6。

一种复合材料层压板低速冲击损伤的数值模拟方法，利用到Abaqus商业软 件，包括以下步骤：

步骤一、采用连续壳单元SC8R，建立层压板单层模型，单元尺寸为H。层压 板包含多个单层模型，单层模型厚度为具有相同铺层角度的多个预浸料单向带或 编织布的总厚度；如图1所示；

步骤二、采用界面单元COH3D8，建立层压板的层间模型，单元尺寸为H/5。 层间模型厚度取值为层压板模型厚度的千分之一，并将其置于两个单层模型之间 来模拟层间分层损伤；如图2所示；

步骤三、采用界面单元COH3D8，建立层压板的树脂裂纹模型，单元尺寸为 H/5。树脂裂纹模型厚度取值为层压板模型厚度的千分之一，并将其垂直置于单 层模型的中面位置，放置方向为单层模型的纤维方向；如图3所示；

步骤四、采用刚体单元，建立冲头模型；如图4所示；

步骤五、将单层模型、层间模型、树脂裂纹模型及冲头模型组合成层压板冲 击模型，由对称关系，采用1/4模型进行计算分析；如图5所示；其中，相邻单 层模型之间引入层间摩擦力F，模拟层间压缩载荷对分层损伤的限制作用，摩擦 系数为u；

步骤六、将层压板冲击模式提交到Abaqus/Standard求解器，进行求解；

步骤七、将求解结果与试验结果进行对比，若模拟结果与试验结果一致，则 模拟完成，否则返回步骤五，修改摩擦系数u，继续进行求解，直至模拟结果与 试验结果一致。如图6及图7所示。