复合材料夹层梁动态弯曲行为的有限元分析与实验研究
作者及发表信息
本研究由西班牙马德里卡洛斯三世大学（Carlos III University of Madrid）连续介质力学与结构分析系的Inés Ivañez、Carlos Santiuste和Sonia Sánchez-Sáez*（通讯作者）合作完成，发表于2010年的期刊《Composite Structures》（第92卷，2285–2291页）。
研究背景与目标
复合材料夹层梁（composite sandwich beams）因其高比刚度和轻量化特性，广泛应用于航空航天、汽车和船舶领域。然而，低速冲击（low-velocity impact）可能导致其面板（face-sheets）或泡沫芯材（foam core）的破坏，进而引发结构失效。尽管已有大量研究关注静态载荷下的夹层梁行为，但动态载荷下的破坏机制（尤其是芯材与面板的相互作用）仍需深入探究。
本研究旨在通过三维有限元模型（3D finite-element model）结合动态三点弯曲试验，分析泡沫芯复合材料夹层梁在冲击载荷下的动态弯曲行为，并揭示芯材坍塌（core collapse）对面板破坏的影响机制。
研究方法与流程
1. 材料表征
- 面板材料：采用平纹编织（plain woven）E-玻璃纤维/聚酯树脂（Aropol FS6902）层合板，单层面板厚度3 mm，力学性能通过表征试验获取（表1数据包括弹性模量、强度等）。
- 芯材材料：PVC泡沫（密度100 kg/m³，厚度30 mm），通过ASTM C365标准进行平压试验（flatwise compression test），获取应力-应变曲线以定义其塑性行为（图1）。
2. 数值模型开发
- 软件与算法：基于Abaqus/Explicit建立三维模型，采用用户子程序（VUMAT）实现面板的渐进损伤模型（progressive damage model），核心算法为Hou失效准则（Hou criteria），涵盖四种失效模式：纤维断裂（fibre failure）、基体开裂（matrix cracking）、基体压溃（matrix crushing）和分层（delamination）。针对编织复合材料特性，对Hou模型进行了修正（如增加横向纤维失效判据）。
- 芯材模型：采用可压溃泡沫模型（crushable foam model），其硬化曲线由压缩试验数据拟合（图2）。
- 边界与加载：模拟动态三点弯曲试验，冲击器（impactor）以初始速度施加冲击能量（25–75 J），支撑条件为简支梁。
3. 动态试验验证
- 试验设置：使用CEAST Fractovis 6785落锤塔进行动态三点弯曲试验，测试20个试件，记录接触力-时间曲线、峰值力、吸收能量及面板位移，并通过高速摄像验证变形过程。
主要研究结果
模型验证
- 数值模拟与实验的接触力历史（图4）、峰值力（图5）、吸收能量（图6）及位移（图7）均高度吻合。例如，峰值力的数值预测误差仅为10.9%。
- 在冲击能量超过40 J时，吸收能量显著增加（图6），对应面板失效的发生，数值模型成功捕捉了这一临界行为。
失效机制分析
- 芯材坍塌的主导作用：泡沫芯在冲击区域的压溃导致上层面板大变形（图9a），进而引发纤维失效和分层（图9b-d）。数值模拟显示，芯材坍塌后，上层面板的失效判据值接近1（图9），而下面板未受显著影响。
- 对比非压溃芯材模型：若芯材为线弹性（非压溃），即使冲击能量达85 J，面板仍无失效（图10），峰值力随能量线性增长（图11）。这表明芯材的压缩行为是夹层梁动态失效的关键因素。
研究结论与价值
科学价值
- 揭示了泡沫芯坍塌在夹层梁动态失效中的核心作用：芯材局部压溃通过增大上层面板曲率，间接导致其失效。
- 提出的修正Hou准则与可压溃泡沫模型，为编织复合材料夹层结构的动态仿真提供了可靠工具。
工程意义
- 指导夹层梁设计：需优化芯材压缩性能以延缓面板失效，尤其在冲击敏感场景（如航空航天结构）。
- 验证了有限元模型替代高成本试验的可行性，支持结构优化设计流程。
研究亮点
- 创新方法：首次将Hou准则扩展至编织复合材料动态失效分析，并结合芯材压溃模型，完整复现了夹层梁的冲击破坏链。
- 关键发现：明确了芯材压缩行为对面板失效阈值的决定性影响，填补了芯材-面板相互作用机制的认知空白。
- 高精度验证：通过多参数（力、位移、能量）对比，模型可靠性达到工程应用标准。
其他价值
- 研究得到了马德里自治社区和卡洛斯三世大学的资金支持（项目CCG08-UC3M/DPI-4348），体现了产学研结合的应用潜力。
- 附录引用的24篇文献（如Deshpande-Fleck泡沫模型、Chang-Chang准则等）为后续研究提供了理论参考。