复合材料层合板低速冲击有限元模拟分析

作     者：贾雪芳 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：樊久铭

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：复合材料层合板 多次低速冲击 VUMAT子程序 动态响应 

摘      要：复合材料结构在制备和服役期间经常遭到各种意外载荷的冲击作用,特别是各类低能量载荷的冲击,从而在结构内部就会产生目视不可见的损伤,这类损伤常常削弱了层合板结构的力学性能,导致结构的承载能力和使用寿命都大幅度下降。因此评价复合材料结构的抗冲击性能以及预测相应的冲击损伤对其安全评估十分重要。本文利用ABAQUS有限元软件创建复合材料层合板低速冲击时材料损伤的预报模型,调用损伤准则和刚度衰减的用户材料子程序VUMAT,预报多次低速冲击情况下,层合板的损伤累积过程。主要研究内容如下所示:(1)针对某经典铺层的复合材料层合板开展摆锤低速冲击试验研究。主要工作包括复合材料层合板的制备,层合板的相关力学参数的测试以及摆锤低速冲击。在冲击试验中利用动态应变分析系统采集冲击正面的应变值,在试验后利用超声波扫描显微镜检测承受低能量冲击载荷的层合板层间分层脱粘面积,并在冲击后的层合板试件中取一部分试件进行相同能量的多次冲击,分析层合板在多次冲击下的应变状态和损伤扩展情况。(2)通过编写用户材料子程序VUMAT建立三维有限元模型,模拟分析复合材料层合板低速冲击损伤累积过程。建模时,在VUMAT中引用经典的H-R(Hashin-Rotem)失效准则判断层合板组分材料的损伤,调入模型计算。并且在ABAQUS中,利用重启动方法实现了多次冲击的有限元模拟。最后将计算所得的应变—时间曲线以及层间分层损伤面积的有限元结果与实验结果进行对比,修正模型并验证仿真模型的合理性。(3)应用修正后合理的有限元模型,分析研究主要特定冲击参数(包括低速冲击时冲头的初始动能和冲头与层合板表面的接触面积以及层合板相邻单层的铺层角度)的改变对层合板低能量冲击动态响应的影响,预测复合材料结构的低速冲击损伤。