基于ABAQUS碳纤维树脂基复合材料抗冲击性能研究

陈鑫 马士东 刘升辉

摘 要：随着复合材料的工艺越来越成熟，其良好的物理性能，如比强度高、比刚度高、比模量高、耐腐蚀性好、结构重量轻等优良性能，得到了航空领域的一致认可。但复合材料的抗冲击性能比较差，当其受到外来物冲击时可能造成严重的损伤，因此使研究成为了必要。本文对有限元软件ABAQUS做了简要说明，并用其对碳纤维树脂基复合材料层合板的冲击进行建模模拟，对冲击后层合板失效性能做了简要分析。

关键词：碳纤维树脂基；复合材料；冲击；ABAQUS建模；失效分析

复合材料是一种非均匀的混合物，具有多种分类。其中纤维复合材料由于比重小，比强度和比模量大，而用量最大，应用最广。最常见的形式之一是交错粘合的层合板，层合板是由一层层的纤维平行铺设后，再注入未固化的环氧树脂或其他基体材料，其中基体在纤维问起传递载荷的作用，使纤维能够承受压缩和剪切裁荷。[1]

1 ABAQUS简介

ABAQUS 公司根据用户的反馈不断解决各种技术难题并改进软件，如今，ABAQUS软件已经逐步完善，从简单的线弹性静态问题到复杂的高度非线性问题，从单个零件的力学分析到多个庞大复杂系统的多物理场耦合分析，ABAQUS都能驾驭。具体而言，ABAQUS除了能有效的 进行静态和准静态分析、模态分析、瞬态分析、接触分析、弹塑性分析、几何非线性分析、碰撞和冲击分析、爆炸分析、屈曲分析、断裂分析、疲劳和耐久性分析等结构分析和热分析外，还能进行流固耦合分析、热固耦合分析、声场和声固耦合分析、压电和热固耦合分析、质量扩散分析等。[2]

2 动态接触理论模型

下面介绍两种接触理论模型，第一种由Herz提出，该算法一般将冲击物看作刚体，不受外力冲击而变形，将受冲击板作为形变体，假设脉冲时间和压力峰值受冲击物的速度、质量和材料弹性性能的影响。

第二种采用Belytschko提出的一种理论，一般用在倾斜冲击或者接触面需要随时间作调整的冲击模型中，冲击物在接触过程中一般认为有三个阶段：冲击物与冲击板产生预接触、由于内部结构性能使接触产生一定改变、冲击物根据滑移。但是，由于缺少接触限定条件，使接触算法有效性存在一定局限性问题。

本文采用直接接触模型，利用Herz接触模型理论，结合动态冲击响应，模拟冲击物冲击板的低速冲击。

3 复合材料失效准则

4 本次建模算例

层合板的长度为100mm，宽度为50mm，每一铺层的厚度为0.12mm，铺层顺序为[0/45/-45/90]，材料为TM6/3501-6，材料屬性：E1=21000MPa，E2=E3=8400MPa，泊松比μ=0.3，G12=G13=4780MPa。

建模过程：

首先创建几何模型，创建Lamina材料，定义材料铺层（材料铺层如图1所示）。

铺层方向对层合板受力的影响：

不同的铺层方向对复合材料本身结构性能有一定的影响，在冲击过程中分层由复合材料性质和结构决定。

复合材料层合板按照不同的铺层顺序会有不同的结构特性，由于结构特性不同在受冲击载荷的影响下，其损伤形式也不同，由于复合材料层合板存在基体开裂，铺层之间受相同载荷的情况下受力不同，理论上，分层会因为基体开裂而加剧。所以在低能量冲击中，选取合适的铺层方向有利于提高层合板抗冲击性能。铺层顺序看似简单，其性能联系有助于在未来复合材料工艺设计、制造、加工时提供优越的性能提升。

建立动态冲击过程，模拟低速冲击落锤实验。落锤冲击实验原理：以规定质量和尺寸的落锤从一定高度冲击实验样品的规定部位，即可测出该样品的真实冲击率。本实验模拟落锤实验机冲头形状，用带有半球形冲头的圆柱体对层合板进行冲击，建立冲击物模拟落锤试验机的落锤。

ABAQUS所建模型如图2所示，模拟冲击后受力云图如图3所示。

层间应力云图如图4所示，损伤由冲击点开始向四周扩散，由图4可以看出损伤呈双锥形，随厚度增加，损伤面积增大。

5 结论

本文基于ABAQUS对碳纤维树脂基复合材料进行了冲击损伤模拟，通过失效准则对冲击后层合板失效分析，ABAQUS为失效扩散演化提供了较好的支持。复合材料层合板在受冲击载荷的作用下，冲击变形的损伤面积随层合板的厚度增加而不断增大，这与考虑进基体开裂因素得出的结论相符合。

参考文献：

[1]陈平，于祺，路春.纤维增强聚合物基复合材料的界而研究进展[J].纤维复合材料，2006，22（1）：53-59.

[2]刘展，祖景平，钱英莉，周华樟.ABAQUS 6.6基础教程与实例详解.中国水利水电出版社，2008.

[3]杜善义.复合材料及其结构的力学设计，应用和评价[M].哈尔滨工业大学出版社，2000.