复合材料层合圆柱壳体缓冲吸能的实验与模拟.pdf

华 南 理 工 大 学 学 报 (自然 科 学 版 ) 第37卷 第 l2期 JournalofSouthChinaUniversityofTechnology Vo1．37 NO．12 2009年 l2月 (NaturalScienceEdition) December 2oo9 文章编号：1000—565X(2009)12—0140—06 复合材料层合圆柱壳体缓冲吸能的实验与模拟冰 宋毅 王瑶 (I．华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2．暨南大学 理工学院，广东 广州510632) 摘 要：根据复合材料层合圆柱壳体受轴向冲击作用下的动力学，通过准静态压缩实验 对标准型和采用花瓣型引发方式的玻璃纤维增强复合材料 (GFRP)层合 圆柱壳体的缓冲 吸能特性进行了研究，运用 ANSYS／LS—DYNA基于Chang．Chang失效准则判断的模型对 落锤冲击下复合材料层合圆柱壳体的动力响应过程进行了模拟，标准型复合材料层舍圆 柱壳体模拟的结果与关键性实验数据能较好地吻合，其 中4ms时刻的速度、位移、加速度 以及加速度峰值的误差分别为 19．5％，12．0％，6．4％，14．6％．而花瓣型复合材料层合 圆 柱壳体在引发方式上的改进使得材料在比吸能上有所提高，而且能极大地降低初始荷载 峰值并延长到达峰值所需的压渍位移长度．利用基于 Chang．Chang失效准则判断的模型 可准确模拟压溃过程和材料的失效现象． 关键词：复合材料；层合圆柱壳体；ANSYS／LS。DYNA；冲击；仿真 中图分类号：TB12 文献标识码：A 在汽车和飞行器被动安全研究领域，作为缓冲 料(GFRP)层合圆柱壳体和采用花瓣型对称引发方 吸能元件 的复合材料柱管是研究热点．实验表 式的GFRP层合圆柱壳体结构的吸能特性进行了分 明l1-3]，在轴向荷载下设计合理的复合材料管状元 析，运用有限元程序ANSYS／LS—DYNA基于Chang- 件，如圆柱管件 、圆锥管件等，可以吸收大量的能量． Chang失效准则，对复合材料层合圆柱壳体的落锤 国内外学者对复合材料对称元件的研究 表明，复 冲击实验进行模拟，并与文献 [9]中的实验数据进 合材料对称元件是通过弹性变形之后的后续压溃阶 行 比较，验证了有限元分析的有效性． 段来达到吸收能量的 目的，特殊的对称构造可以更 1 压缩实验 有效地引发破坏，并且使破坏过程更易于控制．由于 复合材料对称元件复杂的破坏机制，大部分的研究 文中对采用花瓣型对称引发方式的复合材料层 仍然是通过实验的方法来确定复合材料的机械性能 合圆柱壳体进行了准静态压缩实验，并与同型号的 及破坏模式；破坏模式包括层束弯曲模式、横向剪切 标准层合圆柱壳体进行了对比．试件统一采用 E．玻 模式、局部屈曲模式，或者几种模式的组合．目前只有 璃纤维／聚酯树脂基体，纤维体积分数约为55％，结 少数几种复合材料的壳体结构能够通过理论推导精 构为铺层模式 [±75。]．全部实验在济南试金集团 确计算出其压溃过程的应力、应变状态 ．运用有限 生产的6O吨万能材料实验机上进行，实验以5个同 元软件对复合材料的失效行为进行仿真模拟，可避免 类型规格的试件为一组进行分组实验，压缩速率均为 碰撞实验难度大、费用高等问题，并且可随时连续动 2ram／rain，数据结果以每组的平均值作比较． 态地显示破坏的发展，了解整体与局部的过程 J．