• 1 引言

     近年來，纖維增強復合材料因具有一系列優點而廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等各行各業之中。然而作為多相材料，其失效條件及模式往往很難確定。以復合材料層合板為例，這類結構層間性能取決于基體性能，因此層間材料性能很低，僅為纖維方向的幾十分之一。在外載荷或其它如沖擊、溫度等外部因素作用下，往往會由于層間剪應力或層間拉應力超過其強度而引起層間脫粘破壞，即分層。分層是制約這類復合材料進一步廣泛應用的主要因素，因此層合復合材料分層問題得到材料和力學界的重視。為探究ANSYS LS-DYNA在復合材料界面分層損傷方面的應用，本文利用LS-PrePost建立了雙懸臂梁（Double Cantilever Beam，DCB）模型，以cohesive單元模擬界面，進行了復合材料分層損傷的仿真分析。

• 2 有限元分析

     幾何模型如下圖所示，通過在上、下兩個懸臂梁之間的中面層布置Cohesive內聚力單元，從而對分層擴展進行預測，本模型設置層間單元厚度為0.05；將層合板左端固支（固定全部自由度），在另一自由端施加兩個沿厚度方向且方向相反、大小相等的速度位移。為建立預制裂紋，創建有限元模型后將該處單元進行提前刪除。

a/mm	h/mm	b/mm	w/mm	v/(mm/ms)
200	10.05	50	15	1

     為方便施加邊界條件，首先建立相關的節點集合，包括模型固支端的節點集合，自由端上下表面線段上的節點集合。根據不同模型的不同部位賦予單元不同的材料屬性。本文主要用于模擬復合材料的分層現象，因此模型不考慮纖維的鋪層方向，即認為該層合板為單向板，其中纖維材料用碳纖維本構關系，對應于LSDYNA中的2號orthotropic-elastic材料；界面層采用cohesive模型，對應于138號cohesive-mixed-mode材料，具體參數如下圖所示。

     完成材料賦予之后需要設置整體模型的邊界參數，在關鍵字編輯選項卡中借助之前建立的點集固定右端節點以及對左端節點施加速度載荷，具體設置如下圖所示。另外需要注意設置單元的沙漏（一般采用默認即可）。

     完成所有的設置之后導出K文件并利用ANSYS中的LSDYNA求解器進行求解。

• 3 結果討論

• 

     上面兩圖為速度加載端節點的力隨時間變化曲線圖，可以發現上下節點的力呈現大小相等，方向相反的規律，其中反作用力即為節點力的絕對值，這也從側面驗證了此模型加載的正確性；此外可發現力隨時間呈現非線性變化，先增大后減小，最大值出現在界面單元剛開始發生失效時，這與試驗值相符，說明本模型的結果較為可靠。

     上圖為DCB試驗中的典型分層擴展的塑性應變計算結果，可以看出在當前載荷條件下，該復合材料結構發生界面分層破壞，而且隨著裂紋的擴展，界面單元（即用于模擬膠層的cohesive單元）發生失效并被逐漸刪除，模擬結果與復合材料界面分層現象的實際情況相吻合，明確了典型載荷工況下復合材料I型分層擴展的內在機理，驗證了LS-DYNA在這方面的求解能力。