Abaqus環(huán)境中對(duì)木塑復(fù)合材料抗高速撞擊損傷行為的模擬1)

李樹森　鞠偉偉　元月

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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Abaqus環(huán)境中對(duì)木塑復(fù)合材料抗高速撞擊損傷行為的模擬1)

李樹森鞠偉偉元月

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

基于Abaqus有限元分析方法，模擬分析高速碰撞狀態(tài)下木塑復(fù)合材料的損傷行為。仿真實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)試件和撞擊彈體的規(guī)格和物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并對(duì)試驗(yàn)靶體和撞擊彈體進(jìn)行了相關(guān)的約束，得到了材料在高速撞擊破壞后的形態(tài)及系統(tǒng)內(nèi)部能量、內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位移及應(yīng)力應(yīng)變的變化趨勢(shì)，為木塑復(fù)合材料的深入研究提供一定的理論依據(jù)。

木塑復(fù)合材料；高速撞擊；Abaqus

In this study, based on the finite element method analysis (Abaqus), we simulated the high-speed impact damage of the WPC. During the simulation process, we determined the size and shape of the specimen and the various physical, and constrained the test body and the target missile. By the simulation experiment, we got the curves of the energy of the destruction during the high-speed impact, the change of the internal nodal displacement and stress and the strain areas of the material.

木塑復(fù)合材料作為一種新生的綠色環(huán)保復(fù)合材料正在人們的日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用[1]。木塑復(fù)合材料有效地克服了普通木材強(qiáng)度低、變異性大及有機(jī)塑料彈性模量低等造成的使用局限性，原材料價(jià)格低廉，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，已成為工業(yè)界和科學(xué)界普遍關(guān)注的材料[2-3]。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)木塑復(fù)合材料的制造工藝、加工方法及材料性能等方面做了諸多研究和試驗(yàn)[4]，但是對(duì)此種材料在受到高速撞擊碰撞之后的損傷形態(tài)變化方面的研究相對(duì)較少。高速撞擊問題的模擬研究是當(dāng)今機(jī)械及材料科學(xué)等領(lǐng)域的熱點(diǎn)，尤其是模擬航天飛行器受到高速撞擊時(shí)的損傷狀態(tài)[5]。筆者基于模擬航天飛行器受到高速撞擊損傷的原理，利用有限元軟件Abaqus模擬分析木塑復(fù)合材料在受到高速撞擊后的損傷狀態(tài)及其內(nèi)部應(yīng)力變化[6]，更好地展現(xiàn)木塑復(fù)合材料各方面的材料性能，為此種材料的無(wú)損檢測(cè)及其安全應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1　高速碰撞理論方程

本試驗(yàn)的碰撞過程屬于非線性動(dòng)態(tài)接觸問題，包括木塑材料的靜態(tài)力學(xué)分析和瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析。本研究利用Abaqus中的Standard模塊求解系統(tǒng)的非線性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問題，利用Explicit模塊求解模擬瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)沖擊過程[7]。采用拉格朗日描述增量方法，整個(gè)試驗(yàn)體系的碰撞過程遵循能量守恒，能量守恒方程為：

E=Vsijεij-(p+q)V。

(1)

式中：V為現(xiàn)時(shí)構(gòu)形的體積；εij為應(yīng)變張量；sij為應(yīng)變偏量；q為應(yīng)變壓力。

在仿真實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)彈體上的應(yīng)力由靜侵徹阻力和動(dòng)侵徹阻力組成，表達(dá)方程為：

σn=mYt+nρtv2。

(2)

式中：m為靜侵徹阻力；n為動(dòng)阻力系數(shù)，跟彈體的形狀有關(guān)；Yt為靶體材料的屈服強(qiáng)度；ρt為靶體材料的密度；v為速度。

在高速碰撞的過程中，當(dāng)材料伸長(zhǎng)線的變化達(dá)到材料本身脆斷伸長(zhǎng)線應(yīng)變時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生斷裂破壞，使其產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)變準(zhǔn)則條件為：

(σx-vxσy)≤Xt。

(3)

(σy-vyσx)≤Yt。

(4)

2　仿真試驗(yàn)與選材

對(duì)材料的超高速撞擊的研究始于航空航天和軍事工程等領(lǐng)域，這種高速撞擊模擬試驗(yàn)可以獲得材料在高速撞擊下的變形行為，獲得材料的動(dòng)態(tài)損傷規(guī)律，為材料設(shè)計(jì)選擇和應(yīng)用提供理論依據(jù)。筆者基于對(duì)航空金屬等材料的模擬分析，來(lái)分析木塑復(fù)合材料，深入了解木塑復(fù)合材料在高速撞擊下的破損狀態(tài)等大應(yīng)變行為,為木塑活動(dòng)板房搭建，武器裝備的包裝運(yùn)輸?shù)忍峁┮欢ǖ睦碚搮⒖家罁?jù)。

在模擬仿真試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)的彈體高速撞擊木塑復(fù)合材料靶體，將試驗(yàn)對(duì)象靶體的規(guī)格設(shè)定為底面半徑0.2m，高0.05m的圓柱體，其密度為1.1g/cm3，在常溫環(huán)境下的膨脹系數(shù)為3.5，斷裂伸長(zhǎng)率為3.8%，靶體材料的抗彎強(qiáng)度為51.2MPa，壓縮強(qiáng)度為36MPa。仿真試驗(yàn)的彈體采用半徑為5cm的7050鋅鋁合金球體，這種鋅鋁合金具有極高的抗沖擊強(qiáng)度及抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能。其彈性模量為73GPa，密度為2.8g/cm3，泊松比是0.34。

利用Abaqus軟件進(jìn)行仿真時(shí)，為便于仿真結(jié)果的觀察，對(duì)靶體加296個(gè)種子，并將靶體劃分成4 000個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格分布從中間往邊緣呈由密到疏的布局。同時(shí)，在仿真過程當(dāng)中，由于撞擊體是一個(gè)有高強(qiáng)度及硬度的鋅鋁合金屬球，為了仿真結(jié)果易于觀察，將撞擊體設(shè)成一個(gè)剛體，并對(duì)目標(biāo)靶體在xyz方向上進(jìn)行自由度約束，由于目標(biāo)靶體是一個(gè)軸對(duì)稱的圓柱體，在靶體中心受到高速撞擊后，靶體邊緣周圍所受力的大小一樣，邊界條件也是對(duì)稱的，在不影響仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的情況下，將靶體簡(jiǎn)化為原模型的一半，更有利于觀察靶體在受到高速撞擊之后，其內(nèi)部的狀態(tài)變化。將模擬結(jié)果影射之后能得到整個(gè)靶體的試驗(yàn)結(jié)果圖，試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果不受影響。

3　仿真結(jié)果及處理

實(shí)驗(yàn)初始，分別以不同的速度對(duì)靶體進(jìn)行高速撞擊仿真，彈體速度分別設(shè)定為500、800、1 500、2 000m/s，撞擊速度沿z軸反方向，與靶體表面垂直。高速撞擊的仿真結(jié)果如圖1—圖4所示。

圖1　v=500 m/s時(shí)的最大撞擊狀態(tài)

靶體的破壞結(jié)果為：同一材質(zhì)彈體以不同速度撞擊同一材料表面時(shí)，引起撞擊后靶體的宏觀破壞程度不同，撞擊速度越大，靶體表面出現(xiàn)的彈坑越大；當(dāng)速度增加到某一程度時(shí)，可引起靶體材料由強(qiáng)非線性塑形變形發(fā)展到斷裂變形并形成孔洞。在靶體撞擊表面附近，由于彈體的高速擠壓碰撞，在撞擊表面會(huì)形成一層向四周凸起的邊緣，凸起部分與木塑材料靶體相連，呈現(xiàn)出由于彈體高速擠壓而向外不規(guī)則延伸的狀態(tài)。這與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，與普通的純木材料或者木質(zhì)復(fù)合板材料相比，木塑材料本身由于含有塑料的成分，使得木塑復(fù)合材料的黏彈性高于普通純木或者木質(zhì)復(fù)合板。

圖2　v=800 m/s時(shí)最大撞擊狀態(tài)

圖3　v=1 500 m/s時(shí)最大撞擊狀態(tài)

圖4　v=2 000 m/s時(shí)最大撞擊狀態(tài)

木塑靶體表面形成彈坑的主要能量來(lái)源是彈體的動(dòng)能。其中彈坑的塑性變形所消耗的能量是彈體總動(dòng)能的主要部分，由彈丸摩擦所產(chǎn)生的熱能為次要能量消耗。以彈體速度為800m/s時(shí)撞擊結(jié)果為研究對(duì)象，仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖5—圖11所示。

圖5為用線性狀態(tài)模擬系統(tǒng)時(shí)，靶體在受到高速撞擊時(shí)，其內(nèi)部受到高速撞擊的擠壓狀態(tài)趨勢(shì)走向。

圖6為隨著時(shí)間的推移，在仿真過程中系統(tǒng)的動(dòng)能和內(nèi)能的變化趨勢(shì)。彈體在撞擊到靶體表面直到停止之后，其動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化成引起材料塑性變形的內(nèi)能。在仿真過程中靶體材料的應(yīng)變能隨著撞擊深度的增大而增強(qiáng)，彈體的機(jī)械能則克服材料本身的應(yīng)變趨勢(shì)而逐漸被消耗，引起靶體材料的應(yīng)變變化。

圖5　內(nèi)部受力線性云圖

圖6　系統(tǒng)內(nèi)能及動(dòng)能變化曲線

圖7　黏性能耗曲線

圖7為仿真過程中材料的黏性耗散能曲線。由于木塑復(fù)合材料中含有一定比例的塑料成分，所以材料本身的黏彈性高于普通的純木質(zhì)材料，在彈體的機(jī)械能消耗過程當(dāng)中，其中有一部分作用于材料本身的黏性耗能。

圖8　x軸和z軸方向接觸力變化

圖8是在仿真過程當(dāng)中，靶體模型x方向和z方向接觸力隨時(shí)間的變化。在x軸方向，由于和撞擊速度垂直，x方向接觸力變化平緩，波動(dòng)較小。z軸方向接觸力變化趨勢(shì)較大，并呈現(xiàn)不規(guī)則分布。

圖9　節(jié)點(diǎn)位移變化

圖10　z軸最大主應(yīng)力變化

在z軸方向，沿著子彈的撞擊點(diǎn)，間隔相同的距離依次取4個(gè)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)496、節(jié)點(diǎn)1 668、節(jié)點(diǎn)1 679、節(jié)點(diǎn)1 690)，在彈體高速撞擊到撞擊停止過程中，沿撞擊方向4個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移與時(shí)間的關(guān)系如圖9所示。隨著撞擊的進(jìn)行，靶體被破壞程度的加大，撞擊接觸點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)的位移呈線性增加，隨著節(jié)點(diǎn)到撞擊點(diǎn)距離的增加，節(jié)點(diǎn)的位移變化量逐漸減少，節(jié)點(diǎn)1 690的位移已沒有明顯變化。連接上述4個(gè)節(jié)點(diǎn)，在此路徑上最大主應(yīng)力的變化如圖10所示?？梢钥闯?，木塑材料在撞擊時(shí)受到的主應(yīng)力隨其厚度的增加而增大，且增大的速率逐漸降低。這表明木塑材料的抗應(yīng)力斷裂及抗沖擊性能和本身的厚度有一定關(guān)系，同時(shí)，相比于普通的木質(zhì)或者塑料制品，木塑復(fù)合材料結(jié)合了兩種材料在脆性或塑性方面的優(yōu)勢(shì)。

在彈體撞擊接觸面取一個(gè)節(jié)點(diǎn)單元，此節(jié)點(diǎn)沿xyz軸3個(gè)方向的應(yīng)力曲線如圖11所示。

圖11　xyz方向應(yīng)力曲線圖

在彈體高速撞擊中，由于靶體x方向和y方向與子彈撞擊方向垂直，所以這兩個(gè)方向總體受到的撞擊力相同，這兩個(gè)方向的應(yīng)力曲線趨于重合；而沿z軸方向，所受應(yīng)力大小雖然不同，但所受應(yīng)力曲線趨于一致。這表明木塑復(fù)合材料基本上為各向同性材料，材料本身縱向與橫向的強(qiáng)度差異不大。

本研究利用Abaqus/Standard動(dòng)態(tài)分析模塊，能夠快捷有效地模擬木塑復(fù)合材料在受到高速撞擊后的非線性動(dòng)態(tài)接觸問題，分析材料在受到高速撞擊后其內(nèi)部的應(yīng)力變化損傷行為及材料本身的破損狀態(tài)。

4　結(jié)論

對(duì)木塑復(fù)合材料的撞擊損傷分析有利于了解材料在受到撞擊載荷后其內(nèi)部的變化狀態(tài)。分析了材料內(nèi)部的纖維斷裂損傷的起始狀態(tài)、擴(kuò)展過程與木塑復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)，并建立了逐漸累積高速?zèng)_擊損傷預(yù)測(cè)模型。通過對(duì)所建模型的仿真分析，獲得了彈體與靶體在高速碰撞中的能量轉(zhuǎn)換及其變化趨勢(shì)；設(shè)定了彈體撞擊速度，仿真模擬出不同速度的彈體撞擊靶體后靶體受破壞后的狀態(tài)及形態(tài)變化。該模型可對(duì)木塑材料的生產(chǎn)檢測(cè)提供一定的理論依據(jù)。

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[7]莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京,清華大學(xué)出版社,2009.

Simulation Research on WPC Ability to Resist High-speed Crash Damage Based on Abaqus//

Li Shusen, Ju Weiwei, Yuan Yue

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：61-64.

Wood-plastic composite; High-speed collision; Finite element method

李樹森，男，1963年5月生，東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，教授。E-mail：lishusenzp@126.com。

2015年7年17日。

TH873

1)黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201215)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(博導(dǎo)類)資助課題(20120062110006)；東北林業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究課題(DGY2014-31)；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金(2012RFXXG077)。

責(zé)任編輯：戴芳天。