玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板低速沖擊響應(yīng)分析

　　摘要：基于ABAQUS/Explicit建立了GLARE的有限元模型，分析了其在低速沖擊載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)，討論了低速沖擊過程中沖頭與層合板之間的接觸力隨沖頭位移的變化過程，并進(jìn)一步分析了低速過程中結(jié)構(gòu)的破壞過程及能量平衡。研究發(fā)現(xiàn)：沖頭承受的載荷在沖擊過程中會發(fā)生劇烈變化，且在擊穿GLARE前，載荷受沖擊速度影響很小;沖頭的動能損失基本轉(zhuǎn)化成了層合板結(jié)構(gòu)增加的內(nèi)能，主要包括鋁合金板的塑性變形能、整體材料應(yīng)變能、因損傷破壞吸收的能量;其中鋁合金板的塑性變形能占比最高，可通過進(jìn)一步設(shè)計鋁合金板來提高GLARE的抗沖擊性能。本文為GLARE層合板在結(jié)構(gòu)沖擊防護(hù)中的設(shè)計及應(yīng)用提供了重要的參考依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板;低速沖擊;破壞;能量平衡

　　1引言

　　玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板(GLARE)由高強(qiáng)度鋁合金薄板和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料組成，因其具有較強(qiáng)的抗沖擊性能、抗氧化及耐疲勞性能而廣泛受到工程界的關(guān)注，尤其在航空領(lǐng)域[1-2]。值得一提的是，Airbus公司生產(chǎn)的A380飛機(jī)即采用GLARE作為機(jī)身上段蒙皮的主要材料[3]。

　　低速沖擊造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷和破壞的現(xiàn)象非常普遍，例如飛機(jī)維修時檢修車的撞擊或工具掉落、飛機(jī)起飛降落時跑道的碎片及貨物的撞擊都有可能對飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成低速沖擊。因此GLARE在低速沖擊下的響應(yīng)分析具有重要的工程意義。近年來，出現(xiàn)了一系列針對GLARE結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)的試驗、理論和數(shù)值模擬研究。如文獻(xiàn)[4-5]研究了纖維金屬層合板在沖擊下的動態(tài)響應(yīng)以及能量分析，并將實驗結(jié)果與鋁合金板的沖擊實驗進(jìn)行對比。

　　文獻(xiàn)[6]通過實驗研究了多種鋪層結(jié)構(gòu)的GLARE在準(zhǔn)靜態(tài)加載及低速沖擊下的動態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)[7-8]通過對GLARE在低速沖擊作用下的損傷分析，證明了鋁合金層在材料整體抗沖擊性能中起到?jīng)Q定性作用。文獻(xiàn)[9]改進(jìn)了傳統(tǒng)的連續(xù)損傷力學(xué)(CDM)模型，并對GLARE低速沖擊下的響應(yīng)進(jìn)行了實驗和仿真分析，發(fā)現(xiàn)不同的沖擊能量對GLARE造成的損傷的失效形式不同，且接觸力的時程曲線存在差異。文獻(xiàn)[10]編寫了Puck’s準(zhǔn)則的VUMAT子程序，并且通過Python腳本建立GLARE層合板低速沖擊仿真插件，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果一致，為GLARE的工程化推廣提供了重要的軟件支撐。

　　文獻(xiàn)[11]針對GLARE層合板各層材料之間的界面強(qiáng)度進(jìn)行分析，研究了低速沖擊情況下GLARE層合板的脫層情況。文獻(xiàn)[12]對GLARE進(jìn)行了低速沖擊試驗分析，采用DYNATUP8250自由沖擊試驗裝備進(jìn)行低速沖擊實驗，沖擊過程中沖擊能量可根據(jù)沖頭的初始降落高度調(diào)整，每次沖擊過程中沖頭的速度、位移、接觸力的時程曲線均利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄并保存，這些數(shù)據(jù)為GLARE的應(yīng)用和后續(xù)研究提供了重要的參考資料。

　　針對GLARE沖擊試驗已有多位科研工作者進(jìn)行了研究，且有學(xué)者對其進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，他們的工作對本文具有重要的指導(dǎo)意義。但這些工作僅分析了GLARE沖擊現(xiàn)象及所需能量，忽略了GLARE在沖擊破壞過程中的能量變化。本文基于商業(yè)有限元軟件ABAQUS/Explicit建立GLARE的有限元模型，并分析不同沖擊能量作用下GLARE的動態(tài)響應(yīng)，重點(diǎn)討論沖擊過程中接觸力隨沖頭位移的變化及低速擊穿過程中結(jié)構(gòu)的破壞演化及能量平衡。

　　2GLARE層合板低速沖擊分析

　　本文的計算模型參考文獻(xiàn)[12]中所進(jìn)行的GLARE層合板低速沖擊實驗。層合板由上下兩層厚為0.3mm的2024-T3鋁合金和中間一層厚玻璃纖維環(huán)氧樹脂板組成，其鋪層方式為編織鋪層。沖頭頂端為直徑D=13.1mm的半球，沖頭總重M為2.735kg。GLARE試件由兩塊帶有直徑Φ為76.4mm圓形窗口的厚鋼板固定;沖頭自由下落，沖擊試件中心。

　　為節(jié)省計算時間，沖頭初始即放置在GLARE表面(綠色部分)，定義不同初始速度。GLARE采用殼單元建模，網(wǎng)格屬性為S4R單元，網(wǎng)格數(shù)量為7920，沖頭沖擊的中心部位網(wǎng)格加密以保證計算的精確性。GLARE的邊界條件為外邊界全約束。參照文獻(xiàn)[12]實驗試件的幾何尺寸及初始速度建立有限元模型，計算模型包括A、B、C三組(共10個模型)。t代表GLARE板的厚度;v代表沖頭的沖擊速度;A組加載方式為準(zhǔn)靜態(tài)加載，給沖頭一個固定位移;B組和C組僅給定沖頭一個初始速度;B組沖擊能量比較小，在5.47J~9.78J之間;C組沖擊能量比較大，均大于12.3J。

　　3計算結(jié)果分析

　　3.1B組低速沖擊結(jié)果分析

　　因為B組模型的沖擊速度較低，沖擊能量較小，除B2外，沖頭均未擊穿GLARE，并發(fā)生反彈。以B3為例：隨著沖頭向下位移的增大，接觸力先增大后減小;當(dāng)沖頭的向下位移達(dá)到約6.8mm時，沖頭發(fā)生反彈，位移開始減小，且接觸力繼續(xù)減小;當(dāng)位移減小為5.2mm時，接觸力減小為0，此刻反彈過程結(jié)束，沖頭與GLARE脫離接觸。

　　隨著沖頭位移的逐漸增加，GLARE板發(fā)生變形，接觸力逐漸增大，直至結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞;結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞后，接觸力逐漸減小;當(dāng)沖頭位移達(dá)到14.5mm時，接觸力接近0，即此時已經(jīng)發(fā)生擊穿。從中可以獲得沖擊過程中GLARE結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化，接頭與GLARE板接觸點(diǎn)應(yīng)力逐漸增大，達(dá)到臨界應(yīng)力后發(fā)生擊穿;位移繼續(xù)增加，破口逐漸增大。

　　可以發(fā)現(xiàn)沖頭損耗的動能基本轉(zhuǎn)化為了GLARE增加的內(nèi)能。GLARE的內(nèi)能主要由鋁合金板塑性耗散能、GLARE應(yīng)變能、GLARE破壞耗散能、GLARE偽應(yīng)變能等組成;其中鋁合金板的塑性耗散能最大，再次證明了鋁合金在GLARE低速沖擊過程中，起到了非常重要的吸能作用[7-8]。后續(xù)工作中，若要增強(qiáng)GLARE板的吸能效果，可以圍繞增加塑性能量耗散來開展。

　　結(jié)構(gòu)彈性能和結(jié)構(gòu)破壞消耗的能量相對較低;結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生時，結(jié)構(gòu)彈性能會明顯下降，可以認(rèn)為一部分彈性能由于結(jié)構(gòu)破壞被消耗掉;偽應(yīng)變能很小，側(cè)面證明了本文計算的可靠性。此外，對比本文的計算結(jié)果，如接觸力的變化規(guī)律、最大接觸力、擊穿過程，發(fā)現(xiàn)其與文獻(xiàn)[12]的實驗結(jié)果吻合良好。

　　力學(xué)論文投稿刊物：《應(yīng)用力學(xué)學(xué)報》(雙月刊)1984年創(chuàng)刊，是中央級學(xué)術(shù)刊物。《應(yīng)用力學(xué)學(xué)報》主要反映現(xiàn)代力學(xué)在工程實際中的應(yīng)用，及時交流運(yùn)用控力學(xué)理論、計算方法和實驗技術(shù)在解決工程實際問題中取得的新成果。涉及內(nèi)容包括流體、振動、強(qiáng)度等方面的問題。

　　4結(jié)論

　　本文基于ABAQUS/Explicit建立了GLARE的低速沖擊模型，并分析了不同沖擊能量作用下GLARE的動態(tài)響應(yīng)。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)：在沖擊過程中，沖頭承受的載荷變化劇烈;且在GLARE破壞前，載荷與沖擊速度無關(guān)。本文還討論了GLARE低速沖擊過程中結(jié)構(gòu)的破壞及能量轉(zhuǎn)化過程;結(jié)果表明：沖頭的動能基本轉(zhuǎn)化為了GLARE的內(nèi)能，包括鋁合金板的塑性耗散能、結(jié)構(gòu)應(yīng)變能及結(jié)構(gòu)破壞耗散能等，其中鋁合金板的塑性耗散能所占比例最高，可通過對鋁合金板進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計提高GLARE的抗沖擊性能。本文工作對于GLARE層合板的低速沖擊過程進(jìn)行了詳盡研究，為GLARE在低速沖擊下的模擬提供了一個算例。本文采用的計算技術(shù)具有一般性，可以推廣到類似結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)分析。

　　參考文獻(xiàn)(References)

　　[1]VLOTA，VOGELESANGLB，DEVRIESTJ.Towardsapplicationoffibremetallaminatesinlargeaircraft[J].Aircraftengineeringandaerospacetechnology，1999，71(6)：558-570.

　　[2]VOGELESANGLB，VLOTA.Developmentoffibremetallaminatesforadvancedaerospacestructures[J].Journalofmaterialsprocessingtechnology，2000，103(1)：1-5.

　　[3]WUGC，YANGJM.ThemechanicalbehaviorofGLARElaminatesforaircraftstructures[J].JOM，2005，57(1)：72-79.

　　[4]劉強(qiáng)強(qiáng)，王俊，劉偉慶.纖維復(fù)合材料包裹鋼管沖擊功響應(yīng)分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2020，37(5)：1941-1947.(LIUQiangqiang，WANGJun，LIUWeiqing.Impactworkanddynamicperformanceanalysisofsteeltubewrappedwithfiberreinforcedpolymer[J].Chinesejournalofappliedmechanics，2020，37(5)：1941-1947(inChinese)).

　　[5]LILJ，SUNLY，WANGTK，etal.Repeatedlow-velocityimpactresponseanddamagemechanismofglassfiberAluminiumlaminates[J].Aerospacescienceandtechnology，2019，84：995-1010.

　　作者：李寧1周進(jìn)雄2

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