低速冲击下纤维-金属层合板抗分层性能研究-物理论文.docx

?

?

低速冲击下纤维/金属层合板抗分层性能研究

物理论文

?

?

论文导读:：本文采用粘聚区域模型，对金属/纤维层合板(FMLs)在低速冲击载荷作用下抗分层性能进行研究。粘聚力模型对裂纹的模拟具有它独特的优势：一是该模型不需要预先假设初始缺陷；二是在计算过程中随着裂纹的扩展，该方法不需要重新对结构进行网格划分。为了考察粘聚力模型对分层开裂模拟的有效性，本文首先对低速冲击载荷作用下，纤维层合板(FRP)的分层进行了模拟。结果显示该模型可以对分层的扩展方式、分层形状进行有效地预测。在此基础上，研究了低速冲击载荷作用下，不同金属含量的纤维/金属层合板抗分层性能，并与纤维层合板进行了比较。最后从能量的角度讨论了金属含量与铺层结构对FMLs低速冲击性能的影响。

论文关键词：纤维/金属层合板，粘聚区域模型，低速冲击，分层

?

0引言

纤维/金属层合板是由纤维单层板与金属薄板按一定规则排列、粘结而成的一种混杂层合板。这种层合板产生的根本原因是为了将纤维复合材料优良的抗疲劳、比强度高、比模量大的特点同金属优秀的断裂韧性、冲击性能结合起来[1,2]。再加上一些其他的优势，比如重量、费用的缩减。因此，纤维金属层合板在研究上得到了越来越多的关注，在航空工业中也得到越来越多的应用。

目前很多研究表明GLAEETM，相对于整块的铝合金具有更优越的疲劳性能[3-5]，同时一些证据显示纤维金属层合板相对于纤维层合板具有更优良的冲击性能[6,7]。但是对要清楚其中的失效机理及准确预测材料与结构失效行为还有待更多的研究。

分层是低速冲击载荷作用下，纤维增强层合板结构内极易发生的一种层间失效模式，也是最重要的一种失效模式。这主要是由于层合结构单层板之间的界面断裂韧性低于面内的断裂韧性引起的，尤其是对于那些位维铺层角不同的单层板

形成的界面[8]。在过去几十年中，多种断裂力学的方法被用来研究分层机制[9]。在这些方法中，虚拟裂纹闭合技术可能是被采用最多的工具。它基于两个假设，一个是材料中存在初始裂纹物理论文，另外一个是裂纹扩展过程中释放的应变能与使裂纹面闭合所做的功相等论文服务。但虚拟裂纹闭合方法也有它的局限性，比如需要预先假设裂纹的初始形状与位置，在裂纹扩展中，需要对网格重新划分。最近几年，在复合材料分层开裂的研究中，粘聚区域模型得到了越来越多的关注[9-13]。使用该模型时，粘聚单元被预先布置于可能发生分层的界面。该方法不需要假设初始缺陷的存在，同时可以应对裂纹沿任意路径扩展的问题。本文拟采用该方法对金属层合板中的分层损伤进行研究。

本文首先对，纤维增强层合板在低速冲击载荷作用下层合板的分层情况进行预测，计算结果与文献[14]中实验结果进行比较，接着将该方法用于纤维/金属层合板的分层预测。为便于比较纤维增强层合板与纤维/金属层合板的抗分层能力，本文在层合板O[04/902/04]结构的基础上设计了两种常见纤维/金属铺层结构，A类层合板[Al/04/902/04/AL]与B类层合板[Al/04/90/Al/90/04/Al]。接下来，本文重点研究了金属Al及其含量（20%，40%，60%）变化对层合板结构分层的影响，同时比较了A、B两类层合板的抗分层能力。

1粘聚区域模型介绍

图1表示的是用来描述界面发生Ⅰ型和Ⅱ/Ⅲ型开裂行为的两参数双线性粘聚准则。

粘聚准则将上下两界面之间的力与相对位移联系起来。Ⅰ型和Ⅱ/Ⅲ型的力-相对位移准则包含初始的线弹性阶段（达到最大应力之前）和线性退化阶段，其中假定力-相对位移曲线下的面积等于相应的临界能量释放率。最后当粘聚力消失，表示界面的完全开裂。本文采用二次准则来预测界面退化的初始阶段，该准则假设法向压缩力对分层不做出贡献，具体形式为：

(1)(2)

式中分别为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ的界面强度。该准则被成功的运用于纤维复合材料层合板的初始分层预测[15-17]，最近也被应用于低速冲击下纤维层合板分层的研究中[11,18]。

界面退化准则是由公式(3)控制，式中临界能量释放因子，和是实验测得的材料参数，其中压应力作用下的贡献被忽略物理论文，同时由于缺乏实验数据来考虑Ⅲ型断裂的材料属性，因此一般假设。

(3)

2纤维增强层合板冲击分层模拟

为了考察粘聚区域模型对纤维层合板低速冲击下层间分层的预测能力。本文将计算得到的分层大小与形状同实验结果[14]进行了比较。测试所用的层合板是由托雷公司(TorayIndustries,Inc.)生产的CFRPT800H/3631单层板制作而成，该层合板的铺层顺序为[04/902/04]。图2显示了该层合板的几何尺寸，大小为200mmX200mm的层合板简支在一带有中心开孔的铁板上，其中孔径为35mm。

冲击物的质量为1kg，冲头呈半球形（直径为7mm）。冲击能量为1J，2J，3