復合材料加筋板高速沖擊的損傷研究

姜封國 裴廷瑞 姜旭宏 于正 岳攀

復合材料加筋板高速沖擊的損傷研究

姜封國1裴廷瑞1姜旭宏2于正1岳攀1

（1 黑龍江科技大學建筑工程學院，哈爾濱 150027；2 黑龍江科技大學管理學院，哈爾濱 150027）

針對航天器保護材料遭受碎石沖擊的問題，提出采用對復合板進行加筋處理的方式提高復合材料層合板抗彈體高速沖擊能力的方法。該方法利用ABAQUS建立有限元模型，對加筋板底層層合板內部引用cohesive模擬出層間分層，將彈體設置為離散型剛體。模擬彈體對加筋板的垂直高速沖擊。通過分析彈體沖出板體的剩余速度研究復合材料加筋板的防彈效果。結果發(fā)現(xiàn)當彈體沖擊點位于加筋條上時能很好地降低彈體的沖擊速度。并發(fā)現(xiàn)較小的筋條間距、較大的筋條厚度可以有效增加復合材料加筋板的抗沖擊能力，而筋條間隔不同對復合材料加筋板的抗沖擊能力的影響可以忽略不計，本文為后續(xù)航天器抗彈體高速沖擊能力研究提供了支撐。

復合材料加筋板；損傷特性；高速沖擊；有限元

0 引言

復合材料加筋板是土木工程中常見的結構形式，遇到高速沖擊時，相比較于普通板，加筋板有良好的抗沖擊性能[1-3]，此性能在航空航天以及軍事領域有較好的應用前景，如航天器在太空中高速飛行時，太空中的很多碎石一旦與航天器發(fā)生撞擊后果不堪設想，現(xiàn)階段航天器保護材料大多采用鋁合金和鎂合金，為了在提高剛度的同時減輕重量，已開始出現(xiàn)采用高模量石墨纖維增強的新型復合材料作為保護材料。未來的發(fā)展方向為在艙壁外間隔一定距離安裝一層或多層薄板防護屏，但這種方式需要發(fā)射額外的設備升空，這會導致成本的升高，所以在節(jié)約成本的前提下，如何通過改變現(xiàn)有結構來增強飛行器的抗彈體高速沖擊能力就顯得至關重要。本文采用類似于混凝土加筋板的形式，將筋條添加在新型復合材料板上，研究加筋復合板對高速彈體的阻擋效果。

本文將借助有限元軟件ABAQUS，建立復合材料加筋板高速沖擊損傷有限元模型，劃分計算單元，建立邊界條件。以彈體的剩余速度作為指標分析板材的抗沖擊性能，綜合分析復合材料加筋板受高速沖擊損傷特性，并對不同的沖擊點位置、筋條厚度和筋條間距對模擬結果的影響進行分析研究。探究筋條對于抵抗彈體沖擊是否有效，試求筋條厚度，筋條間距以及撞擊點的不同對板材的沖擊效果，探求筋條增強板材抗撞擊能力的最優(yōu)模式。

1 復合材料加筋板高速沖擊損傷有限元模型

1.1 模型建立

為了能夠更為直觀的研究損傷情況，本文采用沿著復合材料層合板的厚度方向，根據(jù)材料自身的鋪層情況逐層劃分單元的方法，在層合板內部引用cohesive還能夠模擬出層間分層的情況。層板的單元類型采用的是帶沙漏控制和縮減積分的八節(jié)點四邊形面內通用連續(xù)殼單元（SC8R）。彈體設置為離散型剛體，彈體質量作用于所設置的參考點上，參考點位于彈體沖頭的中心位置。

為了節(jié)省單元數(shù)量，在對模型劃分網(wǎng)格時，采用的是漸進式的網(wǎng)格劃分，即越靠近沖擊點的位置網(wǎng)格數(shù)量越多，從而提高計算求解的效率，最終結果的精度也能有所保證。圖1為網(wǎng)格劃分情況，其中共有單元 45034個，結點50423個。

圖1 網(wǎng)格劃分

建立復合材料加筋板高速沖擊損傷有限元模型，加筋板的幾何參數(shù)如圖2所示，其圖中參數(shù)的單位為毫米，復合材料層板和加筋條均為Kevlar/epoxy材料，層板厚5mm，加筋條厚度為1mm，彈體選用半徑為4mm的剛性球形彈體，相關材料的具體參數(shù)如表1、表2所示。

圖2 復合材料加筋板的幾何參數(shù)

表1 彈體參數(shù)

表2 復合材料層合板參數(shù)

材料層板和筋條的單元類型采用的是帶沙漏控制和縮減積分的八節(jié)點四邊形面內通用連續(xù)殼單元（SC8R），在層板內部的鋪層之間引入界面單元（cohesive element）來模擬層間分層和脫粘情況，界面單元選用的是八節(jié)點三維粘性單元（COH3D8），界面單元的材料屬性與層板的力學性能一致，具體見表3。

表3 界面單元參數(shù)

1.2 模擬計算結果與分析

使用1.1節(jié)建立的板材模型。數(shù)值模擬時，球形彈的初始沖擊速度控制在250m/s～650m/s之間，分別對復合材料加筋板的正中心位置和T形筋條上方的中心位置進行正面垂直高速沖擊，模擬得到剩余速度結果如圖3所示。

圖3 不同沖擊點剩余速度對比圖

從圖3中可以看出，加筋板肋條可以有效抵抗彈體的沖擊，相比較于直接沖擊沒有加筋的位置，彈體沖破肋條的剩余速度大約比彈體沖破中心位置少100m/s，但是隨著初始速度的增加，這個差值變得越來越小，當彈體初始速度達到650m/s時，剩余速度相差只有50m/s左右，可以得出結論，當彈體低速撞擊時，筋條可有效緩解沖擊力。

1.3 破壞形式

整個沖擊過程的持續(xù)時間只有約110μs。過程可分為四個階段：第一階段為沖壓開孔階段，迎彈面與球形彈在沖擊接觸區(qū)域發(fā)生剪切破壞，使得迎彈面出現(xiàn)凹坑，背彈面變形較?。坏诙A段，凹坑開始變深，筋條位置開始凸起變形，但是其變形比層板要?。坏谌A段為損傷擴展階段，在此階段彈體侵入板材的程度增加，筋條位置的凸起開始變大，纖維發(fā)生斷裂損傷破壞，彈體基本完成了對層板的穿透，并繼續(xù)向外擴展，層間剪切作用和沖擊所產生的應力波導致了分層損傷；第四個階段為加筋條脫粘和破壞階段，彈體穿透層板后直接作用在筋條上，導致筋條與層板間的界面單元發(fā)生破壞導致筋條脫粘，脫粘后層板的彈性變形會慢慢復原[4-5]。

圖4給出了受彈體高速沖擊后復合材料加筋板T形筋條內部的損傷情況，在沖擊點周圍以基體拉伸破壞為主，拉伸和壓縮破壞的區(qū)域不大，由于加筋板的邊界條件為四邊固支，筋條整體受到彈體沖擊而發(fā)生彎曲形變，筋條內部的纖維主要承擔了沿著筋條方向產生的壓縮。所以從圖中能看出沿著筋條的上方出現(xiàn)纖維壓縮破壞[6-16]。圖中深色表示沒有發(fā)生變形的單元，圖中淺色表示變形最大的單元，而隨著深色逐漸變?yōu)闇\色則表示單元的變形隨之增大。

圖4 400m/s球形彈沖擊復合材料加筋板損傷（t=110μs）

2 相關參數(shù)對沖擊結果的影響

2.1 沖擊位置

復合材料加筋板在受到彈體的高速沖擊時，沖擊點具有很強的隨機性，因此需分析彈體沖擊位置不同時復合材料加筋板的抗彈性能。

為了研究沖擊位置對于彈體剩余速度的影響，本節(jié)采用1.1節(jié)所建立的模型，彈體為直徑8mm的球形彈，質量為6.27g，初始速度為400m/s，起點為筋條正上方的中心位置、在垂直筋條方向每隔5毫米設定一個沖擊點，共計十個沖擊點，模擬彈體對這十個沖擊點進行高速垂直沖擊的情況。圖5給出了彈體沖擊后的剩余速度曲線圖，由圖中結果可知，在球形彈體初始速度相同的情況下，沖擊點位于筋條附近時，彈體剩余速度急劇減小，而隨著沖擊點偏心距逐漸增大時，當偏心距達到20mm左右時，剩余速度曲線逐漸趨于平穩(wěn)，筋條對沖擊結果的影響幾乎可以忽略。

根據(jù)上述模擬結果可知，彈體初始速度相同的情況下，剩余速度隨著沖擊點與筋條之間距離增大而減小，所以筋條能有效增加板材的抗沖擊性能。因為筋條可以增加板的彎曲剛度，但偏心距增加讓這種作用減弱，彎曲變形增大，從而導致板材的抗沖擊能力下降。

圖5 沖擊點位置不同時彈體的剩余速度

2.2 筋條厚度

本小節(jié)研究筋條厚度的不同對復合材料加筋板抗彈沖擊性能的影響。本節(jié)采用模型如1.1節(jié)，彈體初始速度設置為500m/s，球形彈的直徑為8mm，彈體質量為6.27g，筋條的厚度依次取1mm、2mm、4mm和6mm，彈體的沖擊位置設置在筋條位置，根據(jù)模擬計算所得的結果展開分析。圖6給出了彈體沖擊不同厚度筋條后的剩余速度曲線圖，觀察圖中結果可知，彈體初速度相同的情況下，剩余速度會隨著筋條厚度的增加而迅速減少，這說明筋條厚度對于提高復合材料加筋板在筋條位置的抗彈性能有顯著的影響；而沖擊點在加筋板中點的彈體剩余速度卻沒有明顯提高，幾乎為一條直線，這說明筋條厚度對于加筋板的影響僅局限于筋條的附近。

圖6 筋條厚度不同時彈體的剩余速度

表4 筋條厚度不同時界面單元的破壞面積

表4給出了高速沖擊下復合材料加筋板筋條厚度不同時界面單元的破壞面積，可知，隨著筋條厚度的增加，內部界面單元的破壞面積有所減小，但破壞面積隨著層數(shù)的增加逐漸增大，這說明增加筋條的厚度可以有效的減小加筋板內部的受損面積，從而提升筋板的抗彈性能。

2.3 筋條間距

本節(jié)研究筋條間距的不同對復合材料加筋板抗彈性能的影響。本節(jié)采用模型如1.1節(jié)，彈體的沖擊位置設置在復合材料加筋板兩筋條的中間位置，筋條的間距依次取10mm、20mm、30mm、40mm、50mm和60mm，根據(jù)模擬計算所得的結果展開分析。圖7給出了彈體沖擊不同筋條間距加筋板后的剩余速度曲線圖，觀察圖中結果可知，當筋條間距小于30mm時，彈體的剩余速度會隨著筋條間距的增大而增加；而當筋條間距大于30mm時，彈體的剩余速度則基本保持不變，這說明筋條間距對于彈體剩余速度的影響范圍并不大。

圖7 筋條間距不同時彈體的剩余速度

表5給出了筋條間距不同時加筋板內部界面單元的破壞面積。

表5 筋條間距不同時界面單元的破壞面積

觀察表5中結果可知，破壞面積會隨著筋條間距的增大而逐漸增大，特別是背彈面，筋條對層板彎曲剛度的提高隨筋條之間距離的增加而減小，導致板整體的彎曲變形增大，界面單元的破壞面積也隨之增大。另外可以看出，當筋條間距達到40mm時，破壞區(qū)域的面積逐漸趨于穩(wěn)定，筋條間距的改變對加筋板的抗彈性能的影響幾乎可以忽略。

3 結論

本文分析彈體正面垂直高速沖擊復合材料加筋板后的損傷情況，并對沖擊位置以及筋條厚度、筋條間距三項不同情況下的沖擊結果進行分析，可以發(fā)現(xiàn)：基體拉伸破壞依然是加筋板破壞的主要形式，添加筋條的層合板能有效的抵抗彈體的沖擊，但是這種抵抗力隨著彈體速度的增加而減小，當彈體初始速度達到650m/s時，剩余速度相差只有50m/s左右；加筋層合板的抗沖擊能力與沖擊點位置密切相關，隨著沖擊點與筋條之間距離的逐漸增大抗沖擊能力逐漸減弱，當間距達到彈體直徑的2倍左右時，剩余速度曲線逐漸趨于平穩(wěn)，筋條對沖擊結果的影響幾乎可以忽略；筋條厚度的變化也會引起板材抗沖擊能力的變化，筋條厚度越大加筋板的抗彈能力越強，但這種影響只在筋條附近起作用；筋條間距對加筋板的抗彈性能的影響并不明顯，當筋條的間距增大到彈體直徑的4倍左右時，筋條對于沖擊結果的影響基本可以忽略。

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Study on Damage of Composite Stiffened Board under High-Velocity Impact

JIANG Feng-guo1PEI Ting-rui1JIANG Xu-hong2YU Zheng1YUE Pan1

（1 School of Civil Engineering, Heilongjiang University of Science &Technology, Harbin 150027, China；2 School of Management, Heilongjiang University of Science &Technology, Harbin 150027, China）

Aiming at the problem that spacecraft protective material is impacted by gravel. The method of high-speed reinforcement is proposed to improve the impact resistance of composite plates. In this method, the finite element model is established by ABAQUS, the delamination is simulated by using cohesive in the laminated plate at the bottom of the stiffened plate, and the projectile is set as a discrete rigid body. The vertical high-speed impact of projectile on stiffened plate is simulated. By analyzing the residual velocity of the projectile out of the plate, the bulletproof effect of the composite stiffened plate is studied. The results show that when the impact point of the projectile is located on the stiffener, the impact velocity of the projectile can be reduced very well. It is found that smaller rib spacing and larger rib thickness can effectively increase the impact resistance of composite stiffened plates, and the impact of different rib spacing on the impact resistance of composite stiffened plates can be ignored. This paper provides theoretical support for the follow-up study of high-speed impact energy of spacecraft ballistic body.

Composite stiffened board; Damage characteristics; High-speed impact; Finite element

V414.8

A

1006-3919(2021)04-0012-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.04.003

2020-10-13；

2021-02-20

國家自然科學基金面上項目（11872157）；黑龍江省自然科學基金（LC2016019）

姜封國（1977—），男，漢，副教授，博士，研究方向：復合材料力學性能研究；（150027）黑龍江科技大學建筑工程學院.