车用复合材料冲击损伤和残余强度的预测方法

车用复合材料冲击损伤和残余强度的预测方法

实现汽车轻量化是改善燃油经济性、降低污染物排放的有效措施。与传统金属材料相比，复合材料具有较高的强度、刚度以及优越的抗疲劳特性。但是，由于复合材料的生产率较低且对复合材料认证的周期也较长，因而导致复合材料成本较高，阻碍了复合材料的应用。为此,给出复合材料冲击损伤和残余强度的预测方法，以尽可能降低物理试验次数，加快复合材料认证，尽可能地降低复合材料的生产成本。

车用复合材料的损伤可以分为层内损伤和层间损伤，损伤多由低速冲击产生。低速冲击损伤在冲击表面不易被发现，但复合材料结构的残余强度显著下降。在对冲击损伤和残余强度进行预测时，基于Puck失效准则可判断冲击负荷下复合材料是否发生损伤，该准则给出了层内损伤标准和层间损伤标准。在判断复合材料出现损伤后，损伤区域内材料的性能将发生退化，损伤处的层内纤维和层间纤维将出现相对滑移，将这种滑移产生的角度称为断裂面角度。将复合材料失效时层内纤维和层间纤维的相对滑动角度定义为最大断裂角度。基于最大断裂角度对复合材料的退化程度进行评价，评价采用刚度折减方法，即根据损伤发生处的断裂面角度与最大断裂面角度比值对损伤处的刚度进行折算，从而确定复合材料的冲击损伤和结构残余强度。该预测方法可利用有限元软件实现，如ABAQUS软件。对该方法进行验证时，选择T700/M21单向碳纤维/环氧复合材料层压板进行物理冲击试验，并利用ABAQUS软件对冲击后损伤的复合材料进行仿真。结果显示，所提出的方法能够有效预测复合材料的损伤，判断复合材料的失效，具有较高的效率。

BrianFalzonetal.SAE 2016-01-0497.

编译：张振伟