复合材料冲击后剩余强度分析方法

低速冲击损伤仿真

层合板易分层，尤其在已经有明显损伤的情况下，分层更容易扩展。在设计的时候，就需要考虑材料在一定损伤范围内的承载能力，也就是所谓损伤容限的概念。

对于低速冲击，一般试验室中可以用落锤试验进行复合材料板的冲击损伤试验。

这个图里面的试验机还是高端了一些。其实，落锤试验只要焊接一个龙门架，一个金属冲头，一根绳子，一个滑轮，就可以得到一个简易的设备。

我们一般用冲击能量来作为低速冲击试验的工况，应为E=mv²/2，在保证冲击能量一定的情况下，通过调节冲头的高度和重量组合即可。

仿真中也是如此，由于冲头接触面一般为球形，直接将冲头简化为球体、半球体就行。不过尤其需要注意的是单位制。一般我们用的最多的还是毫米制，ABAQUS中需要将国际单位制的密度×10的负12次方。因为我们只能通过调节密度调整冲头重量，这个细节需要注意。

然后就是毫米制对应的速度单位要×1000。

建模：

对于基础的层合板冲击案例，我们首先使用工作室自研的建模软件，建立指定0/90对称铺层的模型。

为了方便调节冲头尺寸和网格密度，我们用代码创建了球形冲头网格。

当然，也可以建成子弹形的：

VUAMT损伤模型：

采用Hashin准则进行单元失效判断，设置单元删除。

结果后处理

静界有限元针对层合板多层损伤投影叠加问题，开发了专门的后处理工具（见下图），将ABAQUS仿真得到的多层损伤在面内进行投影叠加，并且自动统计不同失效模式的覆盖面积。

剩余强度模型转换

一般来说，做低速冲击的试验件是偏“方”的矩形板。而做拉伸试验的时候，又是偏“长条”的试验件。这时候可能需要对试验件进行剪裁后再开展剩余强度试验。

同时在仿真中，我们还希望能够将冲击仿真失效的单元在剩余强度仿真中删除。这就需要我们通过前后处理技术实现：

（1） 自动对冲击模型进行裁剪；

（2）自动删除冲击仿真后失效的单元。

静界有限元针对冲击向剩余强度模型转换的问题，开发了专门的处理工具（见下图）：

剩余强度仿真

UAMT损伤模型：

采用Hashin准则进行单元失效判断，并对失效后的单元进行刚度折减。模拟拉伸工况。

失效：

失效单元会率先从孔周围产生，然后向外扩展，当整个截面接近失效时候，结构彻底失效。

和正常试验件静强度对比：

将上述结果和正常试验静强度仿真结果进行对比，通过载荷位移曲线可以明显看出，冲击后的试验件的弹性模量和强度均明显下降。