基于有限元的芯材增強(qiáng)材料抗沖擊性能分析

杜 梅， 王春霞， 董 凱， 金利民

(1． 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 紡織工程系， 江蘇 鹽城 224005； 2． 鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224003；3． 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 4. 中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所， 上海 201204)

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基于有限元的芯材增強(qiáng)材料抗沖擊性能分析

杜 梅1， 王春霞2， 董 凱3， 金利民4

(1． 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 紡織工程系， 江蘇 鹽城 224005； 2． 鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224003；3． 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 4. 中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所， 上海 201204)

為研究“O”形中空芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊性能，通過有限元建模分析的方法，計(jì)算芯材增強(qiáng)材料在具有不同入射速度彈體沖擊下的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過對(duì)比分析各種沖擊情況下彈體的速度隨時(shí)間的變化曲線、加速度隨時(shí)間的變化曲線、材料結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)與模式以及纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)材料抗沖擊性能的影響發(fā)現(xiàn)：在具有一定初速度的彈體沖擊復(fù)合材料靶體的過程中，其速度變化一般經(jīng)歷3個(gè)階段；彈體加速度的波動(dòng)規(guī)律可直接反映彈體承受靶體反作用力的變化情況；材料靶體的破壞程度還因彈速的不同而呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，這與靶體吸收與耗散沖擊能量的多少有關(guān)；此外，在一般情況下，纖維體積分?jǐn)?shù)越大，材料的抗沖擊性能越佳。

“O”形芯材； 復(fù)合材料； 抗沖擊性能； 有限元分析

近年來(lái)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已在工業(yè)生產(chǎn)、制造等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。質(zhì)輕、高強(qiáng)、高模、可設(shè)計(jì)性好是此類復(fù)合材料的最顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也是區(qū)別于其他各種類材料的主要標(biāo)志[1]。在此基礎(chǔ)上，通過科學(xué)的設(shè)計(jì)與工藝，制備出質(zhì)地更加輕盈，強(qiáng)度更高的材料，已成為科研人員孜孜以求的目標(biāo)。鑒于此，質(zhì)量上更為輕便的芯材增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，并得到越來(lái)越廣泛的研究與應(yīng)用[2-4]。

由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有卓越的抗沖擊性能，且可通過調(diào)配材料與組分配比以及對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高其抗沖擊破壞的能力[5-7]，已成為抗沖擊材料中的重要組成部分，在許多領(lǐng)域中得以替代傳統(tǒng)的抗沖擊材料。作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中輕質(zhì)材料系統(tǒng)的一員，在諸多領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力的中空芯材纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其抗沖擊性能也得到一定的研究與關(guān)注，但目前大部分的研究工作主要聚焦于此類材料的低速?zèng)_擊性能[8-10]，有關(guān)其在高速?zèng)_擊下的力學(xué)響應(yīng)與性能的研究仍鮮見報(bào)道。

有限元分析(finite element analysis，F(xiàn)EA)法出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代末。有限元分析主要分為前處理、處理和后處理3個(gè)階段。其中：前處理階段是建立有限元模型，設(shè)定材料性能參數(shù)，設(shè)置接觸、載荷、邊界條件并完成網(wǎng)格劃分等；處理階段是對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算求解；后處理階段是采集并處理計(jì)算結(jié)果。

目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元分析方法已擴(kuò)展并應(yīng)用到包括紡織學(xué)科在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域[11-13]。

本文運(yùn)用有限元分析方法計(jì)算一種“O”形中空芯材纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在具有不同速度彈體沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，主要探索“O”形中空芯材結(jié)構(gòu)對(duì)此類材料抗高速?zèng)_擊性能的影響。通過對(duì)比分析各種沖擊情況下彈體的速度隨時(shí)間的變化曲線、加速度隨時(shí)間的變化曲線以及材料結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)與模式等方面闡述此類材料的抗高速?zèng)_擊性能，揭示其沖擊破壞機(jī)制，為抗沖擊芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與模型

1.1 材 料

“O”形中空芯材纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由處于內(nèi)部的“O”形紗線芯材增強(qiáng)體以及分布于外部的樹脂基體構(gòu)成。其中，紗線材料為芳綸(設(shè)為各向同性體)，基體材料為不飽和聚酯樹脂，纖維體積分?jǐn)?shù)約為30.24%。材料規(guī)格見表1。圖1示出“O”形中空芯材纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的模型圖。

表1 紗線、樹脂的材料規(guī)格Tab. 1 Specifications of yarn and resin

圖1 “O”形中空芯材纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模型圖Fig.1 Model of “O” shaped hollow core structural fiber reinforcement composite.(a) Model; (b) Size

1.2 有限元模型

圖2示出復(fù)合材料沖擊系統(tǒng)有限元模型。如圖所示，根據(jù)材料結(jié)構(gòu)與施加載荷的對(duì)稱性特點(diǎn)，利用有限元分析軟件ABAQUS(版本：6.10)，32位版本W(wǎng)indows XP操作系統(tǒng)，建立復(fù)合材料沖擊系統(tǒng)的1/2有限元模型，可在保證分析精度的基礎(chǔ)上節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

圖2 復(fù)合材料沖擊系統(tǒng)有限元模型Fig.2 Finite element model of composite under impact loading.(a) Loading and boundary conditions;(b) Mesh scheme

有限元模型的設(shè)置情況為：1)材料屬性參數(shù)的設(shè)置。部件參數(shù)設(shè)置中，基體與芯材增強(qiáng)體的參數(shù)見表1。彈體的密度為7.8 g/cm3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。一般認(rèn)為彈體在沖擊靶體前后形變量可忽略，故其在計(jì)算中被設(shè)為剛體。2)接觸條件的設(shè)置。模型中，樹脂與芯材界面間被設(shè)定為 “TIE”接觸。彈體與復(fù)合材料靶板間為“SURFACE TO SURFACE”接觸條件。3)載荷與邊界條件的設(shè)置。模型中，彈體被賦予豎直向下的速度，各沖擊情況下的彈體初始速度分別為200、400、500 m/s，材料側(cè)端面自由度被完全固定。圖2(a)示出模型的載荷與邊界條件設(shè)置。4)網(wǎng)格化。對(duì)于模型的網(wǎng)格設(shè)置，根據(jù)模型尺寸參數(shù)(見圖1)，確定網(wǎng)格格距。在短邊、邊角等處劃分較多的網(wǎng)格，保證網(wǎng)格的合理精細(xì)度。此外，采用規(guī)則的C3D8R六面體單元，此類型的單元規(guī)整度好，計(jì)算的速度與精確度也較高。圖2(b)示出模型的網(wǎng)格化效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 速度與時(shí)間曲線

圖3示出不同沖擊情況下彈速隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可看出，具有足夠大初速度的彈體在沖擊“O”形中空芯材纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的過程中，其速度一般經(jīng)歷3個(gè)階段，即彈體與材料發(fā)生接觸的瞬間至擊穿上層的“彈速急劇下降階段”、彈體離開擊穿上層至彈體與材料底層芯材增強(qiáng)體發(fā)生接觸瞬間的“彈速平臺(tái)階段”與彈體與材料底層芯材增強(qiáng)體接觸瞬間至侵徹一段時(shí)間后反彈(彈速較小時(shí))或擊穿底層(彈速足夠大時(shí))的“彈速急劇下降階段”。對(duì)于第3階段，在200、400 m/s初始彈速的沖擊情況下，彈速發(fā)生驟降為0后反向達(dá)到某一值后趨緩的現(xiàn)象。在500 m/s初始彈速的沖擊情況下，彈體擊穿靶體后以一定剩余速度射出。

圖3 彈體速度隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Velocity-time curves

分析彈速出現(xiàn)以上現(xiàn)象的成因?yàn)椋?)當(dāng)彈體與材料表面基體部分發(fā)生接觸后，材料開始進(jìn)入侵徹破壞階段。隨著彈體的逐步侵入至芯材增強(qiáng)體，應(yīng)力波快速擴(kuò)展，輔以基體與增強(qiáng)體的力傳遞作用，使得復(fù)合材料靶體發(fā)生整體受力的現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)彈體的阻力也急劇加大，故在此階段彈速急劇下降。若彈速足夠高，一段時(shí)間后，當(dāng)達(dá)到材料上部的最大破壞強(qiáng)度時(shí)，材料上層即發(fā)生擊穿破壞。2)當(dāng)彈體穿透上層進(jìn)入材料內(nèi)部的中空區(qū)后，由于其所受阻力幾乎可忽略，彈速變化趨于平緩即進(jìn)入平臺(tái)階段。3)當(dāng)彈體與材料底層芯材增強(qiáng)體發(fā)生接觸與侵徹作用后，此后又發(fā)生與第1階段類似的情況，即由于材料靶體整體承力，對(duì)彈體的阻力急劇增加，彈速又出現(xiàn)急劇的下降。此階段中，若彈速較小不足以擊穿靶體，則會(huì)發(fā)生彈速驟降為0后反彈的現(xiàn)象，若彈速足夠高，則彈體擊穿靶體并以一定的殘余速度射出。

2.2 加速度與時(shí)間曲線

彈體侵徹材料的過程中，彈體加速度的波動(dòng)規(guī)律可直接反映彈體承受靶體反作用力的變化情況，可在一定程度上獲知靶體的吸能與破壞機(jī)制。圖4示出不同入射速度下彈體侵徹“O”形中空芯材纖維增強(qiáng)復(fù)合材料靶板時(shí)加速度與時(shí)間的變化。

圖4 彈體加速度隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Acceleration-time curves

從圖4中可清晰看出侵徹過程中彈體加速度的波動(dòng)情況。對(duì)于材料靶體而言，樹脂基體與芯材增強(qiáng)體的斷裂、破壞是其最主要的吸能方式。相比于樹脂基體，芯材增強(qiáng)體會(huì)吸收更多的外部能量，是復(fù)合材料的主要承力組分，故當(dāng)彈體侵徹芯材部分時(shí)會(huì)承受較大的阻力，其加速度值也因此出現(xiàn)峰值，且當(dāng)靶體整體承力后，尚未被破壞的芯材增強(qiáng)體即將發(fā)生斷裂失效以致于對(duì)彈體的阻力為最大時(shí)，出現(xiàn)彈體加速度峰值的最大值。此外，由于侵徹過程中彈體與靶體接觸面積的變化在一定程度上影響彈體所受阻力的大小。另一方面，樹脂基體與芯材增強(qiáng)體在破壞應(yīng)力、應(yīng)變上的差異，會(huì)導(dǎo)致二者斷裂失效的不同時(shí)性。以上2個(gè)方面也使得彈體受靶體作用力的穩(wěn)定性受到一定的影響，從而在曲線上表現(xiàn)出一定的波動(dòng)。當(dāng)彈體擊穿靶體，隨著接觸面積的減少，彈體所受的阻力也變小，導(dǎo)致加速度值越來(lái)越小，且隨著彈體脫離靶體而逐漸趨于零，即表現(xiàn)為曲線圖上末期的漸緩直至水平狀態(tài)。

2.3 破壞形態(tài)與模式

為進(jìn)一步說(shuō)明“O”形中空芯材纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的沖擊破壞機(jī)制，有必要考察靶體的破壞情況。圖5示出復(fù)合材料靶體在不同初始速度彈體沖擊下的最終破壞形態(tài)。

圖5 材料沖擊破壞形態(tài)Fig.5 Damage morphology of composite undergoing impact loading

從圖5可看出，在任一初速?gòu)楏w沖擊作用下，基體與增強(qiáng)體的開裂損傷為靶體材料的主要破壞模式，且基體部分的破壞較為明顯與劇烈。相對(duì)于靶體的底部區(qū)域，作為直接受沖擊區(qū)域的靶體頂層破壞較為嚴(yán)重，且由于應(yīng)力波的傳播，此區(qū)域的破壞會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的擴(kuò)展并導(dǎo)致較大面積破壞區(qū)域的生成。另外，若彈速不足以擊穿靶體(如VS=200、400 m/s)，隨著彈速的逐漸增大，由于彈體的沖擊能量大部分被靶體所吸收，導(dǎo)致靶體上的基體與芯材增強(qiáng)體的破壞區(qū)域面積增大，破壞程度也更為嚴(yán)重。若彈速足以擊穿靶體(如VS=500 m/s)，彈體的相當(dāng)一部分能量會(huì)以剩余動(dòng)能的形式存在，使得靶體吸收的能量占總能量的比重較少，故靶體上某些應(yīng)力集中區(qū)域的破壞程度還沒有較低彈速時(shí)的嚴(yán)重(見圖5(b)、(c))。特別地，由于應(yīng)力波的擴(kuò)展與應(yīng)力集中效應(yīng)，可觀察到非直接受沖擊區(qū)域的基體裂紋(圖中箭頭指示處)。同時(shí)，隨著彈速的增大(VS=500 m/s)，也可從靶體上清晰地看到貫穿式彈孔的形成。

2.4 纖維體積分?jǐn)?shù)與材料抗沖擊性能

鑒于復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)大小對(duì)其力學(xué)性能具有重要的影響，通過改變模型中“O”形芯材的厚度，即由原來(lái)的1 mm(見圖1(b))分別變?yōu)?0.8 與0.6 mm，對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)分別為：30.24%、26.51%及21.93%，且在保持其余條件不變的情況下，比較分析了3種不同纖維體積分?jǐn)?shù)“O”形芯材增強(qiáng)復(fù)合材料在相同速度(500 m/s)彈體沖擊下的力學(xué)響應(yīng)。圖6示出彈體速度隨時(shí)間變化的曲線圖。

圖6 不同纖維體積分?jǐn)?shù)條件下彈體速度隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Velocity-time curves of projectiles under cases of different fiber volume fractions

從圖6可看出，3種纖維體積分?jǐn)?shù)時(shí)彈體的速度變化皆遵循前文所述的“三階段”衰減規(guī)律，但在衰減幅度上又有明顯的不同，即纖維體積分?jǐn)?shù)為30.24%時(shí)，彈體速度的衰減幅度最大。彈體在擊穿材料之后達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的速度僅為194.3 m/s，而纖維體積分?jǐn)?shù)為26.51%與21.93%時(shí)，彈體最終的平衡速度分別為334.7和375.5 m/s。此現(xiàn)象直觀說(shuō)明了纖維體積分?jǐn)?shù)為30.24%的芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊能力最強(qiáng)，纖維體積分?jǐn)?shù)為26.51%的復(fù)合材料次之，而纖維體積分?jǐn)?shù)為21.93%的復(fù)合材料的抗沖擊能力最弱。究其原因，作為復(fù)合材料主要承力組分的纖維增強(qiáng)體，在抵抗沖擊力的過程中，通過自身的變形、開裂及破壞以耗散與吸收能量。破壞的部位面積(體積)越大，破壞程度越劇烈，則耗散與吸收的能量也就越多。對(duì)于本文所研究的3種情況，彈體皆擊穿了材料，顯然是纖維體積分?jǐn)?shù)為30.24%的芯材增強(qiáng)復(fù)合材料破壞部位的體積最大，破壞程度也最劇烈，由此耗散與吸收的沖擊能量最多，故具有最佳的抗沖擊性能。

3 結(jié) 論

1)在具有一定初速度的彈體沖擊“O”形中空芯材纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的過程中，其速度變化一般經(jīng)歷3個(gè)階段，即彈體與材料發(fā)生接觸的瞬間至擊穿表層的“彈速急劇下降階段”、彈體離開擊穿表層至彈體與材料底層芯材增強(qiáng)體發(fā)生接觸瞬間的“彈速平臺(tái)階段”與彈體與材料底層芯材增強(qiáng)體接觸瞬間至侵徹一段時(shí)間后反彈(彈速較小時(shí))或擊穿底層(彈速足夠大時(shí))的“彈速急劇下降階段”。

2)彈體加速度的波動(dòng)規(guī)律可直接反映彈體承受靶體反作用力的變化情況。隨著初始彈速的增大，彈體加速度峰值也增大，說(shuō)明彈體承受靶體反作用力變大。另外，當(dāng)彈體侵徹芯材部分時(shí)會(huì)承受較大的阻力，其加速度值也因此出現(xiàn)峰值。

3)相對(duì)于靶體的底部區(qū)域，作為直接受沖擊區(qū)域的靶體頂層破壞較為嚴(yán)重。另外，若彈速不足以擊穿靶體，隨著彈速的逐漸增大，彈體能量大部分被靶體所吸收，由此導(dǎo)致靶體的破壞面積增大，破壞程度也更為嚴(yán)重。若彈速足以擊穿靶體，彈體的相當(dāng)一部分能量會(huì)以剩余動(dòng)能的形式存在，使得靶體吸收的能量占總能量的比重較少，故靶體上某些區(qū)域的破壞程度還沒有較低彈速時(shí)的嚴(yán)重。

4)“O”形芯材增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊能力與纖維體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。一般情況下，纖維體積分?jǐn)?shù)越大，材料的破壞程度也越劇烈，耗散與吸收的沖擊能量越多，抗沖擊性能越佳。

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Analysis of impact resistance of core structural reinforcement composite based on finite element analysis

DU Mei1, WANG Chunxia2, DONG Kai3, JIN Limin4

(1.DepartmentofTextileEngineering,YanchengInstituteofIndustryTechnology,Yancheng,Jiangsu224005,China;2.CollegeofTextilesandClothes,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng,Jiangsu224003,China;3.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 4.ShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201204,China)

In order to study the impact resistance of an O-shaped hollow core structural fiber reinforcement composite, the structural dynamic mechanical responses of such type of composite subjected to the ballistic impact at serious striking velocities were calculated and compared by finite element analysis (FEA). By comparatively analyzing the velocity-time curves and acceleration-time curves of the projectiles with different striking velocities, and the structural damage morphologies and modes of composite targets, as well as the effects of fiber volume fraction on the impact-resistance property of the composite, it was found that the velocity degradation process of the project can be divided into three distinct stages. The fluctuation in acceleration can directly indicated the change of reaction force at projectile which was induced by the composite target. The damage magnitude of composite target showed a certain of law by reason of the different striking velocities, it was related to the proportion of the impact energy which was absorbed and dissipated by the composite. Furthermore, in general, the composite showed better impact resistance as the fiber volume fraction increased.

O-shaped core structure; composite; impact resistance; finite element analysis

10.13475/j.fzxb.20140800606

2014-08-14

2015-03-10

杜梅(1967—)，女，副教授，碩士。主要研究方向?yàn)榧徔棽牧吓c紡織品設(shè)計(jì)。金利民，通信作者，E-mail: lmjin@mail.dhu.edu.cn。

TS 101.2

A