米 鵬，梁 森，張義霞

(1.青島理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，青島 266033;2.新南威爾士大學(xué) 工程及信息技術(shù)學(xué)院國防軍事學(xué)院校區(qū)，堪培拉 2600)

嵌入式共固化纖維增強樹脂基復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)是將三種不同性質(zhì)的材料(如碳纖維、樹脂和粘彈性阻尼材料)，通過物理或化學(xué)的方法復(fù)合而成的一種多相固體。從它的組成與結(jié)構(gòu)上分析，其中有一相在層內(nèi)基本上是連續(xù)的被稱為基體相(如樹脂)，而另一相是分散而被基體所包容的被稱為增強相(如碳纖維)，還有一相是各向同性的粘彈性阻尼材料。其基體相、增強相和粘彈性阻尼材料在性能上起協(xié)調(diào)作用，實現(xiàn)大幅度地提高復(fù)合材料構(gòu)件阻尼的目的，得到單一材料難以比擬的綜合力學(xué)性能［1］。由于這種事先阻尼處理結(jié)構(gòu)是將阻尼材料嵌在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的，因此其阻尼材料具有不易脫落、抗老化等優(yōu)點，在高速列車、航空、航天等高科技領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1－3］。這種新型的復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)一經(jīng)提出，很快成為研究的熱點［2－5］。目前對此的相關(guān)研究主要集中在粘彈性阻尼材料薄膜的制作工藝、共固化工藝以及在實驗基礎(chǔ)上的嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性［4－5］，針對嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)沖擊性能的研究相對較少。而沖擊破壞是復(fù)合材料經(jīng)常出現(xiàn)的破壞形式之一，因此有必要對嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進(jìn)行深入研究。

本文采用LS-DYNA顯式動力學(xué)分析軟件，在相關(guān)實驗的基礎(chǔ)上對嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)的低速沖擊性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，探討新型復(fù)合材料阻尼板對沖擊能量和沖擊峰值載荷的吸收能力。

1 數(shù)值模擬過程

LS-DYNA顯式動力學(xué)分析程序，能夠模擬各種復(fù)雜非線性問題，適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力學(xué)沖擊問題。LS-DYNA分析過程主要包括:前處理、求解和后處理［6］。

1.1 前處理

整個幾何模型包括沖擊錘與被沖擊試件兩部分。本文前處理在ANSYS/LS-DYNA中完成，主要包括:選擇單元類型和算法、定義實常數(shù)、定義材料屬性、構(gòu)建實體模型、有限元網(wǎng)格劃分、創(chuàng)建PART和定義接觸類型等。

本文網(wǎng)格單元全部采用8節(jié)點六面體實體模型SOLID164單元，采用默認(rèn)Lagrangian算法［7］，該單元無需定義實常數(shù)。

為節(jié)省計算時間，在模型中采用剛體材料來模擬實驗中的鋼質(zhì)沖擊錘，用關(guān)鍵字*MAT_RIGID定義［8］。由于建模過程中只取沖擊錘底部的沖擊部分，未包含傳感器以及相關(guān)固定裝置，因此對該部分的密度進(jìn)行了相應(yīng)的修正，以確保模型質(zhì)量和實際質(zhì)量相等，其參數(shù)見表1。

表1 沖擊錘材料模型參數(shù)Tab.1 Material model parameters of the impact hammer

嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料層采用Chang-Chang失效模型，通過關(guān)鍵字*MAT_COMPOSITE_DAMAGE定義。該模型由Chang等［9］提出。它包含三個失效準(zhǔn)則:基體開裂失效、壓縮失效和纖維斷裂失效。確定上述失效準(zhǔn)則除需要三個方向的彈性模量、剪切模量和泊松比九個參數(shù)外，還需要確定其他五個參數(shù)，依次為:主方向拉伸強度XT，橫向拉伸強度YT，面內(nèi)剪切強度SC，橫向壓縮強度YC和非線性剪切應(yīng)力參數(shù)ALPH。其XT，YT，SC，YC大小是通過材料的強度測試獲得，ALPH則是由材料的剪切應(yīng)變來確定［10－11］，具體值見表 2。

表2 樹脂基纖維增強型復(fù)合材料材料模型參數(shù)Tab.2 Material model parameters of fiber reinforced resin matrix composite

嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)中的粘彈性阻尼材料采用不可壓縮Mooney-Rivlin橡膠模型來模擬。此模型需要輸入系數(shù)A，B以及泊松比υ，以確定其應(yīng)變能密度函數(shù):

式中:

I1，I2，I3分別為變形張量不變量［10－11］。粘彈性阻尼材料模型具體參數(shù)值見表3。

表3 粘彈性阻尼材料模型參數(shù)Tab.3 Viscoelastic material model parameters

根據(jù)實際幾何尺寸來建立實體模型，其中沖擊錘是由一個半徑和高度均為10 mm的圓柱體，和一個半徑為10 mm的半球體組成。被沖擊的圓形試件共2個，試件1為樹脂基纖維增強型復(fù)合材料，試件2為嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)，它們的幾何參數(shù)、鋪層順序、鋪層角度具體見表4，其結(jié)構(gòu)見圖1。實驗時試件約束邊界圓周的直徑為81 mm，在建模過程中以試件邊界約束尺寸作為試件的實際尺寸，分別建立兩個試件低速沖擊的實體模型。由于模型幾何結(jié)構(gòu)的對稱性，因此采用1/2模型進(jìn)行計算，從而減少計算量。

表4 試件的鋪層順序和幾何參數(shù)Tab.4 Specimen stacking sequence and geometric parameters

為獲得較理想的模擬結(jié)果，應(yīng)盡量將實體模型劃分為較為規(guī)則的六面體單元。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)單元尺寸過大或過小均會影響模擬結(jié)果:當(dāng)單元尺寸過大時，則單元失效時吸收能量過多;反之則吸收能量太少［8，12］。經(jīng)過反復(fù)比較，本文模擬中單元的尺寸為1.5 mm左右時，能獲得最佳模擬結(jié)果。沖擊錘底部半球體單元尺寸與試件單元尺寸相近。劃分網(wǎng)格后的模型見圖2。

圖1 試件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic configuration of specimens

圖2 1/2有限元模型Fig.2 1/2 Finite element model

在ANSYS/LS-DYNA前處理器中，可根據(jù)每個實體材料模型的不同自動生成相應(yīng)的PART，兩個PART之間需要定義兩者的接觸類型。沖擊錘與復(fù)合材料之間以及沖擊錘與粘彈性阻尼材料之間的接觸均設(shè)置為面與面之間侵蝕接觸，該接觸形式是通過關(guān)鍵字*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE定義的，其中包括四個默認(rèn)的選項外，還要定義一個Option Card A選項。由于沖擊錘的材料和網(wǎng)格大小與試件的材料與網(wǎng)格大小均有差別，因此采用基于段(Segment)的接觸算法，將該選項的參數(shù)SOFT設(shè)為2;不定義載荷曲線，參數(shù) LCIDAB設(shè)為0;參數(shù) SOFSCL取為0.1，BSORT 設(shè)為15，其他參數(shù)設(shè)置采用默認(rèn)數(shù)值［7－8］。由于在相關(guān)的沖擊實驗中，嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)復(fù)合材料層與層之間或復(fù)合材料與粘彈性材料之間的脫層現(xiàn)象，因此數(shù)值模擬中不考慮脫層現(xiàn)象的影響，復(fù)合材料層間以及復(fù)合材料層與粘彈性阻尼材料層間均采用共節(jié)點方式連接［12］。

1.2 求解及后處理

根據(jù)試驗情況，約束試件圓周上節(jié)點的所有自由度，在試件和沖擊錘的剖面上施加對稱約束，并給沖擊錘施加了沿軸線方向指向試件的初速度。在試驗中，試件1和試件2的沖擊初速度分別為2.165 m/s和1.3615 m/s，模擬中初速度大小與實驗相同。

整個沖擊過程求解時間設(shè)置為0.4×10－1s，輸出結(jié)果文件的時間間隔為0.1×10－3s。最后，前處理器輸出關(guān)鍵字文件(k文件)。對無法在前處理器中修改的文件中部分關(guān)鍵字進(jìn)行手動修改，將修改完畢后的關(guān)鍵字文件導(dǎo)入LS－DYNA求解器進(jìn)行求解后，將輸出的d3plot結(jié)果文件導(dǎo)入后處理器，獲得每個試件沖擊過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 能量吸收分析

將求解器輸出的d3plot文件輸入LS-PREPOST后處理器，獲取沖擊錘的動能變化曲線，速度變化曲線，同文獻(xiàn)［13］中實驗獲得的曲線及數(shù)據(jù)相比較。

試件1和試件2的數(shù)值模擬曲線分別如圖3和圖4所示。

試件的動能、速度變化量的模擬值與實驗結(jié)果的比較見表5。

表5 動能、速度變化量的模擬值與實驗結(jié)果的比較Tab.5 Comparison simulated kinetic energy and velocity variation with experiment data

從圖3、圖4以及表5可以看出:在本文所模擬的試件1和試件2的沖擊過程中，沖擊錘的速度變化曲線和動能變化曲線與實驗測試曲線吻合較好，動能變化量、速度變化量的模擬值也與實驗結(jié)果較為接近。

圖3 試件1的模擬曲線Fig.3 Simulation curve of specimen 1

圖4 試件2的模擬曲線Fig.4 Simulation curve of specimen 2

在模擬的沖擊過程中，由于不存在其他形式的能量損失，沖擊錘損失的動能等于試件吸收的能量。通過表5可知，試件1在沖擊過程中吸收的能量為5.96 J，試件2沖擊過程中吸收的能量為7.00 J。兩者相比，試件2在沖擊過程中吸收的能量比試件1增加了17.5%。

2.2 沖擊載荷峰值分析

在LS-PREPOST后處理器中查看沖擊錘受到的沖擊載荷的峰值，然后將其與文獻(xiàn)［13］實驗中的沖擊載荷峰值相比較，結(jié)果如表6所示。

表6 模擬的沖擊力峰值與實驗結(jié)果比較Tab.6 Comparison between simulation peak force and experiment data

從表6可看出:模擬沖擊力峰值與實驗的測試值非常接近，本文數(shù)值模擬較準(zhǔn)確的反映了沖擊過程中沖擊力峰值的大小。

將表6中試件1和試件2的沖擊力峰值的模擬值進(jìn)行比較可知:在模擬的沖擊過程中，試件2受到的沖擊力峰值比試件1增加了約140%。

2.3 破壞過程分析

在數(shù)值模擬中，當(dāng)有限元模型中某些單元的應(yīng)力或應(yīng)變達(dá)到預(yù)先設(shè)定的失效準(zhǔn)則時，這些單元將會被從模型中刪除，以模擬材料的破壞或裂縫的產(chǎn)生過程。圖5、圖6分別將試件1和試件2的模擬破壞過程與實際破壞過程進(jìn)行比較。

由圖5、圖6可知，在數(shù)值模擬中，當(dāng)沖擊錘接觸試件時，在相互垂直的直徑方向上的單元，由內(nèi)而外依次出現(xiàn)變形。隨著沖擊錘不斷向下運動，單元的變形不斷增大，一旦達(dá)到預(yù)先設(shè)定的失效準(zhǔn)則，相應(yīng)的單元被刪除，從而出現(xiàn)裂縫。隨著沖擊過程的進(jìn)行，裂縫由內(nèi)而外不斷擴展，直至沖擊過程結(jié)束。最終，被沖擊破壞的試件在中心處產(chǎn)生“十”狀的裂縫，這與實際的破壞情形一致。

比較圖5和圖6可知:在沖擊過程中，試件2的剛度小于試件1，其破壞部分的面積和產(chǎn)生的裂紋長度遠(yuǎn)小于試件1;試件1呈脆性破壞，而試件2呈現(xiàn)塑性破壞的特點。上述特點與文獻(xiàn)［13］的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

本文采用LS-DYNA顯式動力學(xué)軟件建立了嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，對這種新型阻尼結(jié)構(gòu)的低速沖擊性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬中的能量吸收、沖擊力峰值以及破壞形式與實驗結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)論如下:

圖5 試件1模擬破壞過程與實際破壞過程的比較Fig.5 Comparison between failure simulation and actual failure of specimen 1

圖6 試件2模擬破壞過程與實際破壞過程的比較Fig.6 Comparison between failure simulation and actual failure of specimen 2

(1)本文所采用的數(shù)值模擬方法能夠比較準(zhǔn)確的反映嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)在低速沖擊條件下的破壞過程。

(2)嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)在沖擊破壞過程中吸收的能量高于傳統(tǒng)的纖維增強樹脂基復(fù)合材料。

(3)與普通纖維增強型樹脂基復(fù)合材料相比，嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)在沖擊破壞過程中的作用力峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的復(fù)合材料。

(4)在低速沖擊條件下，普通樹脂基纖維增強型復(fù)合材料會產(chǎn)生脆性破壞，而嵌入式共固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞呈現(xiàn)塑性材料的特點。

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