一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法与流程

1.本发明属于船舶复合材料性能评价技术领域，具体涉及一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法。


背景技术：

2.船舶复合材料经常采用混杂纤维的材料体系。例如，碳纤维复合材料以其高比模量、高比强度、抗疲劳、耐腐蚀等优越性能而备受推崇，也为结构设计创造了较大的减重空间。但是碳纤维的抗冲击性能较弱却成为应用的一个制约因素。玻璃纤维具有较高韧性的特点，将板件制备为碳—玻璃混杂纤维复合材料，在一定程度上弥补碳纤维的不足，这为扩大复合材料的应用范围提供了可行途径。而为了更高效地开展混杂纤维复合材料的性能研究，建立混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法是很有必要的。
3.已有若干关于复合材料铺层设计和冲击损伤表征的研究。申请号为“cn201510230293.7”，名称为“一种复合材料冲击损伤后剩余压缩强度的分析方法”根据冲击过程确定的损伤面积，采用整体-局部模型分析方法计算低速冲击后层合板的剩余压缩强度。然而，该方法也没有考虑到冲击后复合材料结构的实际损伤类型和损伤程度等实际情况，仅仅根据损伤面积进行预测，即对冲击损伤本身进行了一定简化处理，所以预测结果的精度提高不多。《实现复合材料冲击损伤信息三维化的方法、系统和介质》（cn113076602a）首先通过试验手段获取复合材料部件相关联的冲击损伤信息，而后在三维结构模型上构建相应的冲击损伤信息三维模型，该方法需要依赖试验数据，不利于复合材料冲击损伤评价的快速优化。
4.目前，复合材料抗冲击性能评价仍主要关注于层合板，对于以各向同性强化本构的可压缩泡沫模型为基础的复混杂纤维合材料夹芯板抗冲击性能评价仍未出现，此外，夹芯材料与面层之间的界面以及夹芯材料自身在受到冲击时同样存在发生损伤的可能，因此考虑夹芯面层界面以及夹芯材料在仿真计算过程中是必要的。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法，其以各向同性强化本构的可压缩泡沫模型为基础对复混杂纤维合材料夹芯板抗冲击性能实现准确评价，通过改变不同纤维的混杂比例，可实现不同混杂比例混杂纤维复合材料夹芯板的抗冲击性能快速评价。
6.本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法，包括以下步骤：s1、基于面层-夹芯材料-面层顺序的铺层设计、在有限元软件中建立混杂纤维复合材料夹芯板的仿真模型，并进行有限元网格划分：其中，夹芯材料的塑性本构采用fortran编程语言编写vumat子程序，建立基于各向同性强化本构的可压缩泡沫模型，
s2、确定s1所建立仿真模型的模型参数；s3、对仿真模型施加边界约束条件后进行落锤冲击模拟试验，提取各网格单元的应力、应变、损伤因子信息；s4、将s3提取的信息以预定义场的形式赋予s2建立的仿真模型获得评价用仿真模型；s5、使用s4获得的评价用仿真模型进行冲击-压缩模拟测试，获得混杂纤维复合材料夹芯板的冲击后剩余压缩强度性能。
7.进一步地，s1中塑性强化部分采用单向压缩时的塑性硬化数据进行模拟，基于fortran编程语言，依据单向压缩时的应力—应变曲线，对每个应力输入值，选择曲线上应力—应变点对应的材料弹性模量作为材料参数计算条件，随着载荷逐渐增大，每一个计算步输入的应力值逐渐增大，反复迭代，不断更新材料弹性模量，形成描述夹芯材料弹性模量变化的vumat子程序。
8.进一步地，夹芯材料的损伤破坏准则采用延性破坏准则，该准则假设损伤发生时的等效塑性应变是应力三轴比和应变率的函数，当满足时，发生损伤，式中：ωd—夹芯材料随着塑性变形单调增加的状态变量；—等效塑性应变率；η—应力三轴比；ε
pl
—应变变量。
9.进一步地，夹芯材料的初始弹性模量设置为622mpa，泊松比设置为0.35。
10.进一步地，s1中面层按照设定的混杂比例以碳纤维和玻璃纤维交替铺层进行混杂。
11.进一步地，s1中碳纤维和玻璃纤维的混杂比例为1：1。
12.进一步地，s2中所述模型参数包括碳纤维复合材料层和板以及玻璃纤维复合材料层和板的拉伸、压缩、剪切性能。
13.进一步地，网格划分中网格采用三维减缩积分实体单元。
14.进一步地，s1所建立的仿真模型中在夹芯材料与各面层间引入与夹芯材料弹性模量箱体的内聚力单元。
15.进一步地，内聚力单元的厚度为0.02mm。
16.本发明的有益效果：1.本发明在对混杂纤维复合材料夹芯板建立仿真模型时，通过fortran编程语言编写vumat子程序，建立基于各向同性强化本构的可压缩泡沫模型，夹芯材料的塑性本构采用基于各向同性强化本构的可压缩泡沫模型，有效准确评价了混杂纤维复合材料夹芯板的抗冲击性能。
17.2.本发明在建立仿真模型时，引入接近零厚度的内聚力单元对各界面层进行模拟，能够较好的模拟面内压缩过程中夹芯材料和面板之间的界面损伤，使仿真模型更加贴合夹芯材料与面层之间的界面以及夹芯材料自身在受到冲击时发生损伤的实际情况。
18.3.本发明的抗冲击评价方法基于单一纤维层合板性能，进行混杂纤维复合材料夹芯板的冲击性能预测，能够通过改变不同纤维的混杂比例，实现不同混杂比例混杂纤维复合材料夹芯板的快速性能评价，节省实验成本、时间成本，实现复合材料研发的快速迭代。
19.附图说明：图1为夹芯板的铺层设计示意图；图2为面层的铺层方式示意图；图3为夹芯板冲击模型的示意图；图4为夹芯材料单向压缩的应力—应变曲线；图5为夹芯板的面层损伤示意图；图6为夹芯板的夹芯材料损伤示意图；图7为冲击-压缩仿真应力结果示意图；图8为夹芯板在不同冲击损伤程度条件下的载荷—位移曲线。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法，包括以下步骤：s1、基于面层-夹芯材料-面层顺序的铺层设计、在有限元软件中建立混杂纤维复合材料夹芯板的仿真模型，并进行有限元网格划分：如图1和图2所示，本发明基于面层-夹芯材料-面这样的顺序进行铺层设计，其中，面层部分按照预定的待混杂比例进行铺层，在本实施例中，面层铺层设置如图2所示，对碳纤维和玻璃纤维进行混杂，可将碳纤维和玻璃纤维按照1:1的混杂比例采用交替铺层的方式设计，逐一建立不同纤维的铺层，当需要改变不同混杂比例时，只需重新对参数进行调整即可，不同纤维铺层排布完成后，上、下两层面层中间包夹夹芯材料，最终夹芯板长宽尺寸范围为10mm～350mm，厚度尺寸范围为15mm～40mm。
22.依据上述的铺层设计采用有限元软件abaqus/explicit建立仿真模型，模型的尺寸为200
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75
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(2/20/2)mm，夹芯材料的塑性本构采用fortran编程语言编写vumat子程序，建立基于各向同性强化本构的可压缩泡沫模型，其塑性强化部分采用单向压缩时的塑性硬化数据进行模拟，夹芯材料初始弹性模量可设置为622mpa，泊松比可设置为0.35，基于fortran编程语言，参考单向压缩时的应力—应变曲线，如图4所示，对每个应力输入值，选择应力值最接近的曲线上应力—应变点对应的材料弹性模量作为材料参数计算条件，随着载荷逐渐增大，每一个计算步输入的应力值逐渐增大，反复迭代此过程，不断更新材料弹性模量，最终形成描述芯材弹性模量变化的vumat子程序，在有限元模型中引入该vumat子程序，以表征本构关系。
23.针对夹芯材料的损伤破坏，可采用延性破坏准则，该准则假设夹芯材料损伤发生
时的等效塑性应变是应力三轴比和应变率的函数，当满足时，判定发生损伤，式中：ωd—夹芯材料随着塑性变形单调增加的状态变量；—等效塑性应变率；η—应力三轴比；ε
pl
—应变变量。
24.本实施例中，夹芯材料的延性破坏参数数据如表1所示，应力三轴比η、等效塑性应变率为适用于夹芯材料的常数参数，ε
pl
在计算过程中为变化量，表中断裂应变为ε
pl
的变化极限值。。
25.表夹芯材料的延性破坏参数断裂应变应力三轴比等效塑性应变率0.50.410对于层间粘结层，可选用厚度为0.02mm的界面单元（cohesive）来模拟，为了模拟面内压缩过程中夹芯材料和面层之间的界面损伤，在仿真模型中引入接近零厚度的内聚力单元对各界面层进行模拟，内聚力单元的厚度在本实施例中设定为0.2mm，选定内聚力单元的弹性参数与夹芯材料的横向弹性模量相同，可均为622mpa，其他材料参数如表2所示，冲击头为钢质球形冲击头，直径16mm，质量5.5kg，由于分析过程冲不考虑冲头的变形，因此在有限元模型中将冲头设置成刚体，其材料参数仅赋予质量参数即可。
26.表2界面层材料属性在划分网格时，夹芯材料和面层为实体单元，而冲头为离散刚体单元，夹芯材料和面层采用扫掠网格，冲头采用结构化网格进行划分，其中，夹芯材料在厚度方向划分为15个单元，面板在厚度方向划分为6个单元，即每层单层板在厚度方向上为一个单元。
27.为了保证计算量较小而精度足够，在模型的中间冲击区域进行网格加密划分，最终，上下面层共划分为58512个单元，夹芯材料共划分为73140个单元，冲头划分为1340个单元。
28.s2、确定s1所建立仿真模型的模型参数：对待混杂的材质进行典型静力试验获取材料性能作为赋予模型的模型参数，本实施例中，对碳纤维复合材料层合板、玻璃纤维复合材料层合板进行单向拉伸试验、单向压缩试验、层间剪切试验，获取碳纤维复合材料层合板和玻璃纤维复合材料层合板的拉伸、压缩、剪切性能，包括拉伸弹性模量、剪切弹性模量、泊松比、拉伸强度、压缩强度以及剪切强度。
29.s3、根据标准astm d7136m-15《测量纤维增强聚合物基复合材料耐落锤冲击事件破坏性的标准试验方法》，对仿真模型施加边界约束条件，并进行落锤冲击模拟试验，可采用板件几何中心点对称的变形约束方式，四边为简支约束，冲击模型如图3所示，完成冲击模拟后，提取各单元的应力、应变、损伤因子等状态，落锤冲击模拟试验结束后，夹芯板面层
的损伤如图5所示，夹芯材料的损伤如图6所示。
30.s4、将s3提取的各单元的应力、应变、损伤因子等状态以预定义场的形式赋予到冲击前的无损结构里，从而得到冲击后含损伤的复合材料结构，获得评价用仿真模型，其核心思想是将上一个冲击模型的计算结果，作为当前模型的初始条件进行有限元模拟。
31.s5、使用s4获得的评价用仿真模型进行冲击-压缩模拟测试，获得混杂纤维复合材料夹芯板的冲击后剩余压缩强度性能：根据标准astm d7137m-12，在轴向压缩下对具有冲击损伤的混杂纤维夹芯板进行侧压仿真计算，进行压缩模拟，仿真过程中，试验件的一端采用位移加载，另一端采用固支边界条件，本实施例所建立的仿真模型经过有限元计算，得到模型的受损状态仿真云图如图7所示，从图7中可以看出，压缩结束后，模型出现了欧拉失稳现象，且向含初始损伤的一侧弯曲，最终两侧面板均出现了断裂，图8所示为不同冲击损伤程度条件下的载荷—位移曲线，计算净截面强度后，仿真和试验结果对比见表3。
32.表3净截面强度对比冲击损伤条件有限元结果试验结果误差图中fem-impact18.3mpa16.8mpa8.9%需要说明的是，上述实施例仅用来说明本发明，但本发明并不局限于上述实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。