萬云，章繼峰，王振清，周利民

（1.哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.香港理工大學(xué)機(jī)械工程系，香港999077）

玻纖鋁合金層板受低速沖擊損傷實(shí)驗(yàn)和仿真

萬云1，章繼峰1，王振清1，周利民2

（1.哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.香港理工大學(xué)機(jī)械工程系，香港999077）

為了研究GLARE板受沖擊載荷下破壞機(jī)理。落錘實(shí)驗(yàn)分析了GLARE板抗低速沖擊性能，給出了其在實(shí)驗(yàn)中的破壞響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)分析了該材料的時(shí)間接觸力曲線、時(shí)間變形曲線、時(shí)間能量吸收曲線、以及變形接觸力曲線變化過程和試件兩面的鋁合金層的破壞情況。在ABAQUS軟件中，建立了落錘低速沖擊的有限元模型。通過對比在不同沖擊能量時(shí)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的時(shí)間接觸力曲線、時(shí)間變形曲線、時(shí)間能量吸收曲線和鋁合金層的破壞，驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。在分析對比不同沖擊時(shí)復(fù)合材料和鋁合金破壞之后，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層的破壞程度變化并不大，相反鋁合金層的破壞程度有較大變化，所以鋁合金層在材料整體抗沖擊性能起重要作用。

玻璃纖維金屬層合板；低速沖擊；動態(tài)響應(yīng)；損傷演化；損傷機(jī)理

復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度和高比模量、優(yōu)異的抗疲勞性能、良好的耐熱性能和獨(dú)特的可設(shè)計(jì)性。通過對其再設(shè)計(jì)能夠達(dá)到更好的拉伸沖擊等性能［1?3］。復(fù)合材料在飛行器結(jié)構(gòu)材料中所占的比例，已經(jīng)逐步成為飛行器結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。纖維增強(qiáng)鋁合金層板（GLARE）目前得到越來越多的關(guān)注。其是由樹脂基纖維層和薄鋁合金板層交替鋪層的一種混雜型結(jié)構(gòu)體系［4?6］。因?yàn)槠淇箾_擊性能強(qiáng)、較高耐疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，目前主要被應(yīng)用在航空領(lǐng)域［7?8］。

由于飛機(jī)可能遇到如飛鳥、冰雹、跑道碎片的撞擊，GLARE的低速沖擊性能的研究很有必要。陳勇等［9］分析了GLARE的動態(tài)響應(yīng)（1／2模型）。馬玉娥［10］等分析了GLARE、鋁合金板以及復(fù)合材料的損傷（1／4模型）。Seo等［11］和Sadighi等［12］分析了纖維增強(qiáng)金屬層板GLARE 5／3的低速沖擊性能。在這些有限元模擬中為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，采用的是1／2模型或者是1／4模型。雖然能節(jié)省計(jì)算時(shí)間，但忽略了GLARE板在受到?jīng)_擊時(shí)其破壞損傷結(jié)果不對稱并可能造成模擬結(jié)果不準(zhǔn)確。

本文通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析GLARE材料受落錘低速沖擊時(shí)，其時(shí)間接觸力、時(shí)間變形、時(shí)間能量吸收曲線和變形接觸力響應(yīng)過程以及鋁合金層的破壞，發(fā)現(xiàn)鋁合金層對于GLARE受落錘低速沖擊下的重要作用。在ABAQUS中，編寫了用戶材料子程序VUMAT并給損傷的復(fù)合材料加入剛度退化，采用整體建模，建立了GLARE受低速沖擊的數(shù)值模型，模擬了GLARE受落錘低速沖擊下能量吸收、變形以及錘頭接觸力的變化和復(fù)合材料以及鋁合金層的損傷情況。

1 落錘低速沖擊實(shí)驗(yàn)和有限元模型

1.1 物理模型

GLARE 5 2／1材料是由上下兩層0.3 mm厚的2024?T3和0.62±0.01mm厚玻璃纖維環(huán)氧樹脂層板組成，其纖維鋪層方式為［0°／90°］s，試件總尺寸為100 mm×100 mm×1.22 mm。如圖1所示，在Instron Dynatup 9250HV落錘實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成落錘實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)機(jī)記錄試件吸收能量，錘頭的接觸力以及中間變形曲線。落錘實(shí)驗(yàn)機(jī)的錘頭質(zhì)量和直徑分別為16.9 kg和12.7 mm。沖擊能量分別有8、10和15 J，對應(yīng)的沖擊初始速度分別為0.97、1.09和1.33 m／s。

圖1 INSTRON 9250HV落錘實(shí)驗(yàn)機(jī)和落錘實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 INSTRON 9250HV impact machine and experi?mental set?up for drop?weight test

1.2 有限元模型

本文采用Abaqus／Explicit求解器計(jì)算。因?yàn)殄N頭的變形很小，所以把錘頭設(shè)為剛體。為了兼顧計(jì)算效率和計(jì)算精度，試件中部的單元尺寸相比其周邊更小。在本文中，有限元模型中鋁合金和復(fù)合材料層板采用C3D8R單元，雖然材料的結(jié)構(gòu)是對稱的，但是材料的破壞情況是非對稱的，所以采用完整有限元模型，而不采用1／2或者1／4模型進(jìn)行簡化。由于GLARE的材料特性差異較大，而Johnson?Cook本構(gòu)模型是經(jīng)驗(yàn)型本構(gòu)模型，因此本文用于John?son?Cook本構(gòu)模型描述2024?T3鋁合金板的材料屬性［13］。該模型中Von Mises等效應(yīng)力是等效塑性應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變率和溫度的函數(shù)，表1給出了材料屬性［14?15］。

在本文中以Hashin［16］破壞準(zhǔn)則編寫的VUMAT用戶自定義子程序被用于GLARE中復(fù)合材料的破壞的模擬。主要是從分層、基體以及纖維的拉伸和壓縮6種破壞準(zhǔn)則來判定相應(yīng)的復(fù)合材料的損傷。

程序中當(dāng)滿足破壞準(zhǔn)則時(shí)，單元發(fā)生剛度退化。采用Tan［17］提出的材料性能衰減規(guī)律來定義材料的剛度退化。表2給出了環(huán)氧樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料力學(xué)性能［18?19］。

表1 鋁合金材料參數(shù)Table 1 Material properties of aluminium alloy

表2 環(huán)氧樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料力學(xué)性能Table 2 Material properties of UD S2 glass／FM 94 epoxy prepreg layers

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2給出了GLARE 5（2／1）在受到8、10以及15 J能量落錘沖擊時(shí)錘頭接觸力、試件中心變形、試件吸引能量以及接觸力與中心變形關(guān)系的曲線。如圖2（a），3種沖擊能量下最大接觸力分別為2.53、2.91和3.07 kN。也就是當(dāng)沖擊能量從8 J增長到10 J時(shí)，試件與錘頭的最大接觸力增長了0.38 kN／15%，而當(dāng)沖擊能量從10 J增長到15 J時(shí)，試件與錘頭的最大接觸力卻只增長了0.16 kN／5.5%。觀察圖2（b）、（c），發(fā)現(xiàn)材料吸收的最大能量大于設(shè)定的初始沖擊能，這是由于錘頭與試件接觸后都會有小距離的下落，造成錘頭的實(shí)際輸出給材料的勢能要稍大于初始設(shè)定的勢能，當(dāng)沖擊能量為8、10和15 J時(shí)，材料最大吸收能量分別達(dá)到9.74、12.07和17.41 J同時(shí)可以看出當(dāng)沖擊能量為8 J和10 J時(shí)，可以看到明顯的回彈現(xiàn)象。圖2（d）為在受到不同能量沖擊下，錘頭與試件的接觸力峰值所對應(yīng)的試件中心變形約為8.49 mm，考慮到GLARE材料中鋁合金層的面外性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于復(fù)合材料層，所以當(dāng)試件中心位移在大于8.49 mm之后，錘頭與試件的接觸力急劇減小是因?yàn)閺?qiáng)度較高的復(fù)合材料層發(fā)生破壞。

試件在受到15 J能量的沖擊時(shí)，試件有較大的變形以及較高的能量吸收，當(dāng)其峰值接觸力最高時(shí)（6.99 ms），試件吸收能量和變形分別為10.5 J和8.49 mm，而試件在這樣一個(gè)整個(gè)過程吸收能量和變形分別為17.41 J和12.08 mm。

圖2 GLARE 5（2／1）結(jié)構(gòu)在受到能量沖擊時(shí)的響應(yīng)Fig.2 Responses of GLARE 5（2／1）under impact energy

試件在受到15 J能量的落錘沖擊過程可以被總結(jié)為以下過程，當(dāng)試件中間變形在達(dá)到8.49 mm之前，試件能量吸收以及錘頭同試件的接觸力都有較快的增加，當(dāng)試件變形達(dá)到8.49 mm時(shí)，錘頭同試件的接觸力達(dá)到峰值3.07 kN，此時(shí)試件吸收錘頭能量10.5 J。此時(shí)試件中的復(fù)合材料部分發(fā)生破壞，又由于材料一共吸收17.41 J能量，所以鋁合金層的變形對于之后試件吸收6.91 J能量起關(guān)鍵作用。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

圖3給出了數(shù)值模擬中時(shí)間接觸力、時(shí)間變形以及時(shí)間能量吸引曲線。這些數(shù)值分析結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線趨勢相似。

圖3 不同沖擊能量下實(shí)驗(yàn)與有限元結(jié)果比較Fig.3 Comparison of experimental and numerical re?sults with different impact energies

從表3可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在可接受范圍。

表3 不同沖擊能量下數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差比較Table 3 Comparison of errors between experimental and simulation results under different impact energies

從圖4和圖5為不同沖擊能量下的材料的變形和鋁合金層的破壞情況。圖6為在不同沖擊能量下GLARE試件的中心區(qū)域鋁合金數(shù)值模擬中損傷情況，可以看出其損傷情況與圖5的裂紋較一致。本文數(shù)值模擬的圖3的響應(yīng)曲線與圖6的鋁合金的破壞損傷情況同實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。說明了本文的有限元模型是可靠的。因?yàn)镚LARE材料中纖維拉伸破壞較關(guān)鍵，所以在下面著重分析復(fù)合材料的纖維拉伸破壞情況。

圖6和圖7給出了GLARE在受到不同沖擊能量下，鋁合金層和復(fù)合材料層中纖維拉伸破壞損傷。這2種破壞的損傷云圖都不對稱，所以數(shù)值模型不能簡化。從圖7中可以看出，當(dāng)沖擊能量增加時(shí)，雖然材料的變形增加，但是損傷單元的數(shù)量并沒有明顯增加。

與此相反，沖擊能量增加時(shí)，如圖6，鋁合金板的損傷范圍以及裂紋的大小都有明顯的增加。從圖2（c）和圖3（c）中在受不同沖擊能量時(shí)材料總體能量吸收可以看出，隨著沖擊能量的增加，材料吸收總能量也有相應(yīng)的增加，并且在沖擊能量為15 J時(shí)材料錘頭沒有反彈。

綜上所述，在受到更高沖擊能量下，鋁合金層的損傷程度的增加是材料能夠吸收更多能量的最主要原因，也就是說鋁合金層對于GLARE抗沖擊性能有重要作用。

圖4 GLARE試件在受不同能量沖擊后的正反兩面整體變形Fig.4 Whole deflection of two sides of GLARE speci?men groups with different impact energies

圖5 GLARE試件在受不同能量沖擊后的正反兩面中心區(qū)域鋁合金破壞Fig.5 Central aluminium damage of two sides of GLARE specimen groups with different impact energies

圖6 GLARE試件在受不同能量沖擊的數(shù)值模擬的正反兩面中心區(qū)域鋁合金破壞Fig.6 Central aluminium damage of two sides of GLARE specimen in the simulations with dif?ferent impact energies

圖7 GLARE試件在受不同能量沖擊數(shù)值模擬時(shí)復(fù)合材料中纖維拉伸破壞單元Fig.7 Fibre tensile damage of composite layer in the simulations with different impact energies

3 結(jié)論

1）通過GLARE 5 2／1受落錘低速沖擊的實(shí)驗(yàn)，分析了該材料在時(shí)間接觸力曲線、時(shí)間變形曲線、時(shí)間能量吸收曲線和變形接觸力曲線變化的過程，得出鋁合金層對于材料的抗沖擊性能有重要作用。

2）經(jīng)過比較數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在時(shí)間接觸力曲線、時(shí)間變形曲線、時(shí)間能量吸收曲線以及鋁合金層的破壞損傷的結(jié)果都相吻合。驗(yàn)證了使用整體模型進(jìn)行有限元計(jì)算的必要性和可靠性。

3）通過數(shù)值分析在不同沖擊能量下鋁合金層以及復(fù)合材料的破壞，發(fā)現(xiàn)沖擊能量增加，材料吸收能量也相應(yīng)增加，并且只有鋁合金層的損傷明顯增加，進(jìn)一步證明了鋁合金層對于GLARE 5 2／1的抗沖擊性能有重要作用。

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Low?velocity impact damage on glass fibre reinforced aluminium laminates：experiments and finite element analysis

WAN Yun1，ZHANG Jifeng1，WANG Zhenqing1，ZHOU Limin2

（1.College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Department of Mechanics Engineering，Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong 999077，China）

In order to investigate the failure mechanism of glass?fiber reinforced aluminum（GLARE）laminates un?der impact loading，the anti-low speed impact performance by a dropweight test on GLARE was presented，and the damage response of GLARE laminates in the test was given.The study first analyses the curves of time?contact force，time?deflection，time?absorbed energy，deflection?contact force，and the damage to two aluminum layers of the test specimen.Next，a numerical methodology in ABAQUS is employed to simulate the response in low?velocity impact of GLARE laminates and establish the finite element model.After comparing the time?contact force，time?deflection，time?absorbed energy，and the damage to aluminum layers under different circumstances of impact ener?gy between experimental and simulation results，the reliability of the finite element model method was validated.Af?ter comparing the damages to composites and aluminum under different impact energy，no big difference in the damage to the composite layer was found.However，more damage in the aluminum layer when the impact energy is higher was found，proving that the aluminum layers play an important role in the entire anti?impact performance of materials.

GLARE；low?velocity impact；impact response；damage evolution；failure mechanism

10.3969／j.issn.1006?7043.201404019

TB331

：A

：1006?7043（2015）06?0769?05

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.u.20150428.1117.021.html

2014?04?04.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015?04?28.

港澳臺科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2014DFH50060）.

萬云（1985?），男，博士研究生；王振清（1962?），男，教授，博士生導(dǎo)師.

萬云，E?mail：wanyun0505＠hrbeu.edu.cn.