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复合材料层合板低速冲击损伤研究
李习习
（中航工业特种飞行器研究所，湖北荆门448000）
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摘要：本文采用有限元方法模数了复合材科层合板受到低建冲击时的损伤状态，基于PATRAN/NASTRAN软件，建立了层合板低速冲击二维分新模型，并用Hofmon失效准则判断损伤情况，不断进行剧度新减直至不再产生新的损伤为止。
关键词：复合材；层合板；低建冲击；损伤 1概述
复合材料由于具有比强度高、比模量大等优点，面在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。复合材料的抗冲击能力较弱，其受到低速冲击后，内部会产生一定程度的损伤，通常表现为基体开裂、分层、纤维断裂等形式，这给复合材料承力构件来带来严重威胁。然而在实际工程应用中，复合材料不可避免的遇到各种外来物的冲击，包括冰、飞鸟、飞石、维修工具坠落等。这些冲击损伤大大削弱
了结构的承载能力，是不容忽视的间题。本文基于PATRAN/NAS-TRAN软件，建立了复合材料层合板低速冲击有限元模型，对层合板进行了低速冲击模拟
2低速冲击有限元模拟 2.1有限元建模
本文对铺层为[45/0/-45/90/0]2S的层合板进行了数值模拟，其中单层板厚度为0.125mm，冲击能量为8J。试件尺寸为150mm× 100mm，冲头为直径12.5mm的球形头，质量为6.2634kg，冲击能量通过修改速度载荷予以控制。边界条件采取四周简支的方法，为减小计算量，网格划分采取四周稀疏，中间冲击区域较密的方案。建立的有限元模型如图1所示。
2.2失效判据及渐进失效分析
复合材料的失效判据分为单一模式失效判据和多模式失效判据。单一模式失效判据就是不区分失效模式，如Tsai-Hill、Tsai-Wu、 Hofman失效准则。多模式失效判据就是区分失效模式.比如纤维失效、基体失效、分层失效等各有其对应的失效准则，主要以Puck、 Hashin，Chang-Chang失效准则为代表"
本文选取的是不区分失效模式的Hofman准则，该类失效准则的优点在于考虑了各强度值之间的相互作用,并且对于复杂应力状态下单向板强度值的预测与试验结果相比误差不大图。通过对该理论进行简化，还能够预报各向同性材料的强度结果。
基于Hofman失效准则，在每个积分点处计算失效因子F，当 FI>1时，表示失效发生。单元发生失效后，该单元的材料性能也会产生变化。NASTRAN中提供了渐进失效分析，可以用于复合材料和其他弹性材料。它假定材料在失效前是保持线弹性的，当失效发生时它能够模拟刚度下降的过程。
2.3模拟结果
从图2中可以看出，刚开始时，冲击力从零快速增加，这一阶段基本没有损伤产生；然后冲击力达到最大值，随后出现幅度较大的波动，这是由于冲击造成层合板发生损伤，主要是基体开裂和分层损伤，并且损伤发生了扩展；最后冲击物完全离开板后，冲击力也开始快速下降，直至减小到零。从图3可以看出，层合板各层损伤形貌大致呈花生状，并滑着该层纤维铺设方向，与基体开裂沿着该层纤维方向相一致。由于在Patran中，层合板铺层顺序是从最下面开始依次往上铺设，所以第1层表面其实是冲击背面，第20层表面是冲击正面。从上图中可以发现从第1层往上，其损伤形状逐渐变小，也就是说从冲击背面到冲击正面，层合板损伤面积是慢慢减小的，这与文献中所描述的相符合，即分层损伤是从冲击背面开始，并向冲击正面依次扩展。
3结论
本文采用有限元方法研究了复合材料层合板低速冲击损伤行为，研究表明层合板受到低速冲击后，各层损伤形貌大致呈花生状，
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图1低速冲击有限元模型
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图2冲击力－时间曲线
1层45°方向
3层-45°方向
2层0°方向 4层90°方向
图3部分层最终损伤图形
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并沿着该层纤维铺设方向，与基体开裂沿着该层纤维方向相一致背面由于受到较大的拉伸应力，其损伤程度往往大于冲击正面，从冲击背面到冲击正面，层合板损伤面积是慢慢减小的，即分层损伤是从冲击背面开始并向冲击正面依次扩展，
参考文献
[1]徐额.复合材层合板冲击损伤及冲击后疲劳寿命研究[D]南京：南京航空航天大学博士论文，2007.
[2]理海坡温卫东，准海涛.复合材料层合板冲击损伤及剧余强度研究进展[J]材科科学与工程学报,2005,23(3):466-472.
作者简介：李习习（1989，7-），女，中航工业特种飞行器研究所，助理工程师