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复合材料层合板静态接触压溃的实验与模拟

期刊:Composite StructuresDOI:10.1016/s0263-8223(02)00047-8

复合材料层合板静态接触压溃实验与数值模拟研究学术报告

一、作者与发表信息
本研究由Chien-Hua Huang与Ya-Jung Lee*(通讯作者)合作完成,两人均来自台湾大学造船及海洋工程学系(Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, National Taiwan University)。论文题为《Experiments and simulation of the static contact crush of composite laminated plates》,发表于期刊《Composite Structures》2003年第61卷,页码265–270,由Elsevier出版。

二、学术背景与研究目标
本研究属于复合材料力学领域,聚焦于碳纤维增强环氧树脂层合板在局部接触载荷下的失效行为。背景动机源于先进交通工具(如航空航天、船舶)中复合材料结构的广泛应用,但其脆性特性导致能量吸收能力低于金属结构。研究目标包括:
1. 通过实验与数值模拟结合,揭示层合板在静态压溃过程中的渐进失效机制;
2. 提出基于应变(strain-based)的失效准则,改进传统应力(stress-based)准则在模拟渐进失效中的局限性;
3. 开发用户自定义材料子程序(UMAT),实现ABAQUS软件中刚度退化的精确模拟。

三、研究流程与方法
1. 实验设计
- 试样制备:采用Toho ETA 12000碳纤维与ACD 8810环氧树脂预浸料,制备两种铺层序列的16层板:[900]4s(正交铺层)和[45/−45]4s(斜交铺层),尺寸16 cm×7 cm×0.228 cm。通过真空袋-热压罐工艺固化,温度81.5°C(30分钟)→131.1°C(90分钟),压力5 atm。
- 力学测试:使用MTS 810试验机测试材料基本性能(E11、E22、Xt、Yt等),验证与厂商数据的一致性(表1)。
- 压溃实验:试样两端简支,中心用半径7.5 mm半球形钢压头加载,记录力-位移曲线(F-S曲线)及能量吸收(图3)。

  1. 数值模拟

    • 模型构建:ABAQUS中采用C3D20R实体单元(20节点二次缩减积分砖单元),划分1,664个单元,厚度方向4层单元模拟16层板(图4)。压头设为刚体,边界条件与实验一致。
    • 失效准则
      • Hashin准则(式1-4):判断纤维(fiber)和基体(matrix)的面内失效(in-plane failure);
      • Yeh准则(式5-6):评估层间分层(delamination)失效。
    • 刚度退化方法:提出应变转换公式(式7),将应力准则改写为应变准则(式8-13),定义失效因子(fi)与刚度修正因子(mfi=1/fi)的倒数关系(式14,图5),通过UMAT子程序实现渐进失效模拟。
  2. 数据分析

    • 对比实验与模拟的F-S曲线(图6-7),验证最大载荷与失效点的吻合度;
    • 通过失效云图(如图10中的σ11分布)与实验破坏形貌(图8-9)对比,分析纤维断裂与分层扩展模式。

四、主要结果
1. 实验数据:正交铺层板比斜交铺层吸收更多能量(F-S曲线下面积更大),且失效伴随显著载荷跌落(图3)。
2. 模拟验证:应变准则成功预测了从首层失效到最终压溃的全过程,模拟与实验的载荷误差%(图6-7)。
3. 失效机制
- 正交铺层以纤维断裂为主导,裂纹沿宽度方向扩展(图8);
- 斜交铺层因剪切效应更易发生分层,破坏区域集中于中心(图9)。
4. 方法优势:应变准则避免了应力准则在刚度退化后的“应力混乱”问题,适用于大变形分析。

五、结论与价值
1. 科学价值
- 提出应变基失效准则与渐进刚度退化方法,为复合材料接触失效模拟提供了新范式;
- 揭示了铺层顺序对能量吸收与失效模式的影响机制。
2. 应用价值:可直接指导抗撞复合材料结构设计(如船舶隔舱、飞机蒙皮),优化铺层以提升耐撞性。

六、研究亮点
1. 方法创新:首次将Hashin/Yeh应力准则转化为应变形式,解决了传统方法在渐进失效模拟中的数值不稳定性;
2. 实验-模拟闭环验证:通过高精度实体单元模型与破坏形貌对比,增强了结果可信度;
3. 工程导向:研究问题源于实际需求(碰撞安全),UMAT子程序可直接集成于工业仿真流程。

七、其他贡献
1. 提供了完整的材料参数(表1)与UMAT实现逻辑,便于同行复现;
2. 指出横向应力对失效贡献较小(与Padhi等[8]结论一致),简化了后续分析维度。

(注:全文参考文献[1-13]从略,详见原文献。)

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