沖擊載荷下纖維金屬層板損傷行為及動態(tài)響應特性研究.pdf

1、纖維金屬層板(FML，F(xiàn)ibre-Metal Laminate)是一類由金屬薄板和纖維增強復合材料交替層壓而成的超混雜復合材料，具有高比強度、低密度、高韌性及優(yōu)異的阻燃、耐沖擊和耐腐蝕等優(yōu)點，目前已成功應用于波音和空客系列飛機，并在航空工業(yè)具有廣泛應用前景。另一方面，鳥撞、冰雹、跑道碎片和工具敲打等造成的沖擊損傷是航空機身結(jié)構(gòu)件的一種重要損傷形式。為滿足飛機結(jié)構(gòu)設計的安全性和穩(wěn)定性要求，抗沖擊性能評估已成為民用和軍用飛機結(jié)構(gòu)設計的重要標

2、準之一。FML抗沖擊力學特性研究成為國內(nèi)外研究熱點之一。
　　FML抗沖擊力學特性研究主要采用實驗和數(shù)值仿真方法。迄今，準確表征復合材料鋪層復雜損傷模式和失效過程的損傷模型依然是 FML沖擊有限元數(shù)值仿真的一項基礎工作，也是其重點和難點問題，并且缺乏對復合材料模型適用性的討論。另外，針對“材料參數(shù)”和“事件參數(shù)”對FML低速沖擊載荷下?lián)p傷行為和動態(tài)響應特性影響的數(shù)據(jù)依然缺乏，對FML高速沖擊載荷下的損傷行為和動態(tài)響應特性影響的數(shù)據(jù)

3、更是鮮見報道，有待進一步深入研究。
　　基于以上背景，本文首先針對FML中的復合材料鋪層，分別建立了二維連續(xù)介質(zhì)損傷力學模型和三維漸進損傷模型，結(jié)合實驗討論了模型參數(shù)獲取問題，并編寫了用戶材料子程序；然后，采用所建立的復合材料損傷模型，結(jié)合動態(tài)顯式算法進行了FML沖擊有限元數(shù)值仿真建模，通過實驗驗證了數(shù)值仿真方法的有效性，并討論了復合材料模型在 FML沖擊有限元數(shù)值仿真上的適用性問題；最后，采用實驗和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究

4、了FML抗低速、高速沖擊力學特性，并重點研究了“材料參數(shù)”和“事件參數(shù)”對FML沖擊損傷行為和動態(tài)響應特性的影響規(guī)律。本文主要研究內(nèi)容如下：
　　第一，建立一種考慮纖維拉伸損傷演化、彈性模量拉壓異性及面內(nèi)剪切塑性的二維復合材料連續(xù)介質(zhì)損傷力學模型?；谶B續(xù)介質(zhì)損傷力學理論，考慮復合材料纖維拉伸損傷演化規(guī)律和纖維方向、橫向彈性模量拉壓異性效應并結(jié)合塑性方程，在平面應力狀態(tài)下分別建立了忽略和計及面內(nèi)剪切塑性應變的兩種連續(xù)介質(zhì)損傷力學模

5、型，并以FML復合材料鋪層——S2-Glass/Epoxy疊層復合材料為例討論了模型參數(shù)獲取問題；最后將所建立的模型編寫成用戶材料子程序，并進行了驗證。
　　第二，建立一種考慮剪切非線性，包含剪切損傷初始準則和纖維方向、橫向彈性模量拉壓異性效應并采用應變描述的復合材料三維漸進損傷模型。以采用應力描述的Hashin準則為基礎，考慮復合材料剪切非線性力學響應特性和纖維方向、橫向彈性模量拉壓異性效應并補充剪切損傷初始準則，建立了采用應變

6、描述的復合材料三維損傷初始準則；然后建立了采用應變描述的損傷演化方程，進而建立了可描述損傷初始和演化過程的復合材料三維漸進損傷模型；最后將所建立的模型編寫成用戶材料子程序，并進行了驗證。
　　第三，討論和闡述復合材料模型在 FML沖擊有限元數(shù)值仿真上的適用性問題。結(jié)合動態(tài)顯式算法，采用所建立的復合材料二維連續(xù)介質(zhì)損傷力學模型和三維漸進損傷模型以及ABAQUS自帶的材料模型對FML落錘沖擊或彈道沖擊實驗進行了數(shù)值仿真建模，通過實驗驗

7、證了數(shù)值仿真方法的有效性，并重點闡述了復合材料模型的適用性問題。結(jié)果表明，采用二維連續(xù)介質(zhì)損傷力學模型可描述低能量沖擊載荷下 FML中復合材料鋪層的損傷行為，但如果沖擊能量較高導致 FML發(fā)生穿透或接近穿透時二維模型不再適用，不能客觀反映沖擊載荷下復合材料的動態(tài)響應和失效過程；采用三維漸進損傷模型可較理想地預測低速、高速沖擊載荷下復合材料鋪層的動態(tài)響應和失效過程。
　　第四，利用實驗和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，開展 FML抗低速沖擊力

8、學特性研究。采用落錘實驗獲取了低速沖擊載荷下 FML的動態(tài)響應特性和損傷模式，分析了機理，并獲取了重復沖擊、溫度環(huán)境以及金屬鋪層材料特性對FML沖擊損傷行為和動態(tài)響應特性的影響規(guī)律；采用數(shù)值仿真方法獲取了沖擊體尺寸對FML低速沖擊載荷下的損傷行為和動態(tài)響應特性的影響規(guī)律。
　　第五，利用實驗和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，開展 FML抗彈道沖擊力學特性研究。采用輕氣炮高速沖擊實驗獲取了不同沖擊角度下 FML的損傷模式和彈道極限方程，并獲取

9、了沖擊角度、重復沖擊等沖擊條件對FML彈道沖擊損傷行為和動態(tài)響應特性的影響規(guī)律；采用實驗和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法給出了邊界效應對FML抗彈道沖擊力學特性的影響機制；采用數(shù)值仿真方法獲取了FML鋪層厚度及鋪設方式對FML抗彈道沖擊力學特性的影響規(guī)律。
　　綜上，針對沖擊載荷下 FML損傷行為和動態(tài)響應特性，本文分別建立了復合材料二維連續(xù)介質(zhì)損傷力學模型和三維漸進損傷模型，并闡述了復合材料模型在 FML沖擊有限元數(shù)值仿真上的適用性問題，