冲击载荷下Ti/CFRP层合板结构的数值模拟分析

谢新宇,葛建立,孙全兆,杨国来

(南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094)

碳纤维增强复合材料具有许多良好的力学性能,比如轻质量、高比强度、高韧性、耐高温、耐腐蚀等,因此现阶段已经在航空、兵器、船舶、汽车等领域得到了广泛应用[1]。为减轻武器装备的质量,提高其机动性,很多武器装备的关键承力部位已经采用复合材料替代传统的金属材料。

武器装备上的复合材料在使用过程中会经常遇到冲击问题,复合材料在受到冲击后容易产生损伤。虽然一般金属材料的比强度、比刚度等性能要弱于复合材料,但是金属材料的抗冲击性能比复合材料优异。为了改善复合材料的抗冲击性能,可以用胶粘或者机械连接等方式将金属板附着在复合材料层合板表面,这样就形成一种新的层合板结构。当有钛合金板的一侧受到冲击载荷时,冲击载荷的动能会从钛合金板传递到复合材料板,钛合金板虽然会吸收一部分动能,但是仍然有可能在不破坏钛合金板的情况下对复合材料板造成损伤,为保证Ti/CFRP层合板结构的安全性和可靠性,必须对受到冲击载荷时的Ti/CFRP层合板结构进行分析。

本文研究的Ti/CFRP层合板结构是将钛合金薄板用环氧胶粘在碳纤维复合材料表面的一种结构。建立冲头冲击Ti/CFRP层合板结构的有限元模型,采用VUMAT材料子程序模拟复合材料层合板的损伤失效,研究了冲击动能、钛板的厚度及复合材料的铺层角度等因素对Ti/CFRP层合板结构抗冲击损伤的影响,为Ti/CFRP层合板结构的设计与分析提供参考。……