沖擊損傷的案例
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計知識共享系列之二復(fù)合材料沖擊損傷的來龍去脈
1 引言
貫穿碳纖維增強復(fù)合材料研究最引人注目的是其沖擊損傷問題，無論是相關(guān)的材料（包括纖維和樹脂）研究，結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點還是工藝制造和維護問題，碳纖維復(fù)合材料一進入解決輕量化需求的高端應(yīng)用，遇到的技術(shù)關(guān)鍵就是沖擊損傷，本文試圖還原復(fù)合材料沖擊損傷問題的來龍去脈。
回顧碳纖維應(yīng)用的發(fā)展史，大家都知道英國羅羅公司是第一個試圖把碳纖維用于高端應(yīng)用——在1967年開始研制飛機發(fā)動機進氣風扇葉片的吃螃蟹者，當然失敗的原因很多，但很重要的一個原因是復(fù)合材料葉片沒有通過外來物沖擊的考驗，致使英國在碳纖維復(fù)合材料發(fā)展中失去了先機，退出了領(lǐng)先的地位。1970年代初國際石油危機爆發(fā)，民用飛機的機體結(jié)構(gòu)輕量化被提上了日程，碳纖維作為首選再一次受到了關(guān)注。為解決新材料應(yīng)用中首先遇到的信心（安全性）問題，波音公司研制了100多付擾流板在波音707上試用，1975年經(jīng)試用考核后，對這些擾流板進行了檢查，發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料部件出現(xiàn)了金屬結(jié)構(gòu)沒有遇到的新問題——濕熱引起的材料性能下降和沖擊損傷（擾流板是薄蒙皮夾層結(jié)構(gòu)）。自此復(fù)合材料沖擊損傷就成了復(fù)合材料技術(shù)中的核心問題之一。
2 復(fù)合材料沖擊損傷研究歷程
2.1 壓縮下沖擊強度研究和應(yīng)用
由于最初沖擊損傷問題是由擾流板這類薄蒙皮夾層結(jié)構(gòu)引起的，當時關(guān)注的外來物主要是地面和空中飛行時的冰雹和跑道碎石，都是在結(jié)構(gòu)受載時受到的外來物沖擊，因此美國NASA在1970年代和1980年代初期主要研究壓縮下沖擊強度，采用的設(shè)備是由壓縮裝置對受壓縮載荷的復(fù)合材料試樣射出鋁丸（模擬密度相近的跑道碎石和冰雹），變量是鋁丸的速度（有壓縮空氣壓力控制）和復(fù)合材料試樣的壓縮應(yīng)變（由壓縮載荷控制），試驗結(jié)果是沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線。
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1 引言
貫穿碳纖維增強復(fù)合材料研究最引人注目的是其沖擊損傷問題，無論是相關(guān)的材料（包括纖維和樹脂）研究，結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點還是工藝制造和維護問題，碳纖維復(fù)合材料一進入解決輕量化需求的高端應(yīng)用，遇到的技術(shù)關(guān)鍵就是沖擊損傷，本文試圖還原復(fù)合材料沖擊損傷問題的來龍去脈。
回顧碳纖維應(yīng)用的發(fā)展史，大家都知道英國羅羅公司是第一個試圖把碳纖維用于高端應(yīng)用——在1967年開始研制飛機發(fā)動機進氣風扇葉片的吃螃蟹者，當然失敗的原因很多，但很重要的一個原因是復(fù)合材料葉片沒有通過外來物沖擊的考驗，致使英國在碳纖維復(fù)合材料發(fā)展中失去了先機，退出了領(lǐng)先的地位。1970年代初國際石油危機爆發(fā)，民用飛機的機體結(jié)構(gòu)輕量化被提上了日程，碳纖維作為首選再一次受到了關(guān)注。為解決新材料應(yīng)用中首先遇到的信心（安全性）問題，波音公司研制了100多付擾流板在波音707上試用，1975年經(jīng)試用考核后，對這些擾流板進行了檢查，發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料部件出現(xiàn)了金屬結(jié)構(gòu)沒有遇到的新問題——濕熱引起的材料性能下降和沖擊損傷（擾流板是薄蒙皮夾層結(jié)構(gòu)）。自此復(fù)合材料沖擊損傷就成了復(fù)合材料技術(shù)中的核心問題之一。
2 復(fù)合材料沖擊損傷研究歷程
2.1 壓縮下沖擊強度研究和應(yīng)用
由于最初沖擊損傷問題是由擾流板這類薄蒙皮夾層結(jié)構(gòu)引起的，當時關(guān)注的外來物主要是地面和空中飛行時的冰雹和跑道碎石，都是在結(jié)構(gòu)受載時受到的外來物沖擊，因此美國NASA在1970年代和1980年代初期主要研究壓縮下沖擊強度，采用的設(shè)備是由壓縮空氣系統(tǒng)裝置對受壓縮載荷的復(fù)合材料試樣射出鋁丸（模擬密度相近的跑道碎石和冰雹），變量是鋁丸的速度（有壓縮空氣壓力控制）和復(fù)合材料試樣的壓縮應(yīng)變（由壓縮載荷控制），試驗結(jié)果是沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線。
展開 『分享』復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊損傷研究進展
復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊損傷研究進展
復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊損傷研究進展Ⅰ.pdf
復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊損傷研究進展Ⅱ.pdf
『分享』層合復(fù)合材料沖擊損傷破壞過程研究(數(shù)值分析).
層合復(fù)合材料沖擊損傷破壞過程研究(數(shù)值分析).
層合復(fù)合材料沖擊損傷破壞過程研究(數(shù)值分析).pdf
層合復(fù)合材料沖擊損傷破壞過程研究宏觀(破壞準則).pdf
ABAQUS-水下爆炸沖擊損傷失效例題
ABAQUS-水下爆炸沖擊損傷失效例題
ABAQUS-水下爆炸沖擊損傷失效例題.docx
金屬韌性損傷材料失效模型應(yīng)用實例-Abaqus/Explicit鋼制管狀結(jié)構(gòu)多工況沖擊損傷失效分析 ￥49.9
在常溫狀態(tài)下，大多數(shù)工程金屬具有較高的韌性，這種情況下，材料的失效分析通常會使用韌性損傷漸進失效模型。
如下圖所示，該模型完整的定義了材料的彈性階段、塑性階段、損傷起始與損傷演化。材料承載經(jīng)歷彈塑性階段后達到損傷起始點a，繼續(xù)承載，損傷后的材料剛度折減，出現(xiàn)軟化，直到損傷參數(shù)D=1時，材料剛度退化為0，單元刪除。
韌性材料損傷漸進失效模型
工程案例：
鋼制管狀結(jié)構(gòu)多工況沖擊損傷失效分析
上圖案例中的分析工況按閱讀順序依次是：
沖擊質(zhì)量5kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度200m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度300m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度400m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚20mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度400m/s，桶厚50mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚50mm;
付費部分為鋼制管狀結(jié)構(gòu)多工況沖擊損傷失效分析案例的9種工況共計9個inp文件壓縮包+CAE 源文件壓縮包。
展開 某空投裝備著陸沖擊累積損傷評估方法研究
隨著裝備空降次數(shù)的
增多，結(jié)構(gòu)的累積損傷會嚴重影響裝備的技術(shù)狀況。為了對某型裝備多次空投著陸沖擊累積損傷進
行評估，進行了鋁合金材料損傷演化參數(shù)測定試驗。運用RADIOSS 求解裝備多次空投著陸沖擊動
態(tài)響應(yīng)，基于勒梅特損傷模型，對裝備的著陸沖擊損傷累積情況進行評估，并得出其損傷演化規(guī)律，
為裝備空投壽命預(yù)測提供基礎(chǔ)。
李建陽_某空投裝備著陸沖擊累積損傷評估方法研究 .pdf
聯(lián)合使用Hetval和USDFLD模擬三維編織復(fù)合材料沖擊損傷生熱
三維編織復(fù)合材料具有復(fù)雜的細觀結(jié)構(gòu)，附件文獻對三維編織復(fù)合材料沖擊損傷生熱進行了細致的研究。他們分別建立了樹脂基體和纖維束，再進行幾何體的組裝，如下圖所示：
用這種方式建立的三維模型，建模比較復(fù)雜，網(wǎng)格的劃分也特別費時費力，而且很容易出現(xiàn)計算不收斂的情況，在此推薦另一鐘做法，直接用USDFLD定義場變量的方式，區(qū)分樹脂基體和纖維束，用這種方式建模的模型如下所示：
詳情可以參考這篇文獻：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0017931017341595?via%3Dihub。
三維編織復(fù)合材料吸濕性能有限元分析.pdf
對于某種特定材料，有許多種損傷準則可以選擇。文獻認為，在準靜態(tài)情況下溫度場與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系為：
其中，k是熱傳導(dǎo)率，T是絕對溫度，C是比熱，a是熱膨脹系數(shù)，r和u是彈性常數(shù)，p是密度。
此外，在沖擊情況下溫度場與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：
b為材料相關(guān)的系數(shù)，對于雙酚樹脂，取值為0.25。
基于上述熱力耦合的本構(gòu)模型，工作室通過聯(lián)合USDFLD和Hetval子程序，實現(xiàn)了考慮沖擊損傷的熱力耦合本構(gòu)模型，得到的結(jié)果如下圖所示：
詳細信息參看文獻：
熱力關(guān)系文獻.pdf
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展開 原創(chuàng)#小球沖擊基體例子-帶cohesive損傷
上個帖子給出了不帶損傷的小球沖擊基體的例子，本帖給出含有cohesive損傷的沖擊損傷例子及模型文件
詳情見下：
結(jié)果如下：
#####小球沖擊基體例子-帶cohesive損傷.rar
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復(fù)合材料沖擊損傷自動建模程序
composite impact.rar
初學(xué)python做了一個復(fù)合材料沖擊損傷的自動建模程序，
程序使用說明如下：
1.程序還有待完善。目前只支持矩形板，矩形網(wǎng)格。
2.可以選擇3D實體單元及2D連續(xù)殼單元，但是如果用3D實體單元需要自己編寫VUMAT，這里就不上傳VUMAT了，大家自己努力編吧。
3.自動生成的有限元模型是沒有邊界條件的。自己需要手動添加邊界條件
4.輸出變量需要自己去設(shè)置。
5.需要先創(chuàng)建材料或者從自己的材料庫中導(dǎo)入材料。
6.鋪層參數(shù)可以從文本文件直接導(dǎo)入，在鋪層表格出點擊右鍵會出現(xiàn)導(dǎo)入對話框。
7.可以根據(jù)需要選擇是否增加cohesive elements。
補充說明：第一次上傳的附件有一個問題，就是用CompositeLayup直接生成實體單元是不能用在abaqus/explicit中的，提交計算會出錯，現(xiàn)在已經(jīng)將程序完善，附件已經(jīng)更新。
直接將壓縮包解壓縮后放到plugin文件夾下即可。
composite_imoact_en.rar
展開 『原創(chuàng)』誰能談?wù)勅绾斡肁NSYS分析復(fù)合材料沖擊損傷么？
誰能談?wù)勅绾斡肁NSYS分析復(fù)合材料沖擊損傷么？
【技術(shù)】復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計知識共享系列（一）
3、以承認初始缺陷/損傷對結(jié)構(gòu)強度有影響為基礎(chǔ)的設(shè)計值確定方法
碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性中減重的關(guān)鍵是滿足損傷容限要求，各向同性的金屬結(jié)構(gòu)損傷容限主要考慮疲勞引起的裂紋，疲勞裂紋產(chǎn)生的初期對結(jié)構(gòu)靜強度基本沒有影響，因此其靜強度可以用無缺陷/損傷的完好材料性能進行設(shè)計；而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常不可能是完好的材料，從服役開始就可能帶有缺陷/損傷，這包括制造過程產(chǎn)生的缺陷，如孔隙率、分層、沖擊損傷等，以及使用過程中產(chǎn)生的損傷，主要是外來物引起的沖擊損傷（特別是低速沖擊損傷），一旦含有缺陷/損傷其承載能力會立即下降，特別是沖擊損傷，即使是目視不可見的沖擊損傷可能會使其壓縮承載能力降低至無損強度的40%以下。因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的靜強度校核一定要考慮帶有各種缺陷/損傷，特別是沖擊損傷。大量研究表明，對于制造缺陷可以用含6.35mm孔引起的強度降來覆蓋通常制造中出現(xiàn)的缺陷，特別是可以用含6.35mm孔引起的壓縮強度降覆蓋各種制造缺陷（除沖擊損傷外）引起的強度降，如圖1所示。為滿足其損傷容限要求，確定蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計值的關(guān)鍵因素如圖2所示，對拉伸設(shè)計值的確定主要依據(jù)其開孔拉伸強度，而壓縮設(shè)計值的確定主要依據(jù)開孔壓縮強度和沖擊后壓縮強度。因此準各向同性鋪層層壓板的開孔拉伸強度和開孔壓縮強度成為了復(fù)合材料許用值，含沖擊損傷準各向同性鋪層層壓板試樣的壓縮強度也是材料性能的一部分。值得關(guān)注的是結(jié)構(gòu)設(shè)計值的確定與蒙皮厚度有關(guān)（薄板主要考慮穩(wěn)定性，厚板的主要威脅不是沖擊損傷），圖3所示為不同厚度機翼蒙皮結(jié)構(gòu)確定壓縮設(shè)計值的主要考慮因素。
展開 碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
混合連接是膠結(jié)和機械連接的組合，它可以提高抗剝離、抗沖擊、抗疲勞、抗蠕變等性能。
疲勞與沖擊損傷
復(fù)合材料的疲勞與金屬材料相比，必須考慮溫度、濕度、沖擊損傷等因素。大多數(shù)情況下，沖擊損傷在結(jié)構(gòu)設(shè)計中覆蓋了疲勞問題。
疲勞
一般情況下，復(fù)合材料的拉伸疲勞優(yōu)于金屬。在正交層合板時疲勞或交變載荷作用下的開裂相對穩(wěn)定，比金屬開裂擴展的慢。對復(fù)合材料必須注意受沖擊后的壓縮、剪切以及層間剪切在交變載荷作用下，引起的疲勞破壞。疲勞引起的早期破壞要因如下：
1. 缺口，尖角
2. 截面突變
3. 突起
4. 極端的偏心載荷
5. 螺栓連接接頭
6. 快速擺動
沖擊損傷
對于碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)將CAI強度（沖擊后壓縮強度）作為設(shè)計參數(shù)之一。飛機上確定損傷容限就是這么考慮的。損傷容限就是部件中允許的損傷范圍，如果超出這個限度，損傷將會顯著影響部件的性能。碳纖維復(fù)合材料的沖擊損傷容限必須在可檢測到的范圍內(nèi)，作為設(shè)計參數(shù)之一加以考慮。
即使存在肉眼不可見的損傷，也要確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生CAI強度的下降。改善沖擊損傷的損傷容限，可以在碳纖維材料中加入芳綸纖維或者玻璃纖維。
展開 碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
混合連接是膠結(jié)和機械連接的組合，它可以提高抗剝離、抗沖擊、抗疲勞、抗蠕變等性能。
疲勞與沖擊損傷
復(fù)合材料的疲勞與金屬材料相比，必須考慮溫度、濕度、沖擊損傷等因素。大多數(shù)情況下，沖擊損傷在結(jié)構(gòu)設(shè)計中覆蓋了疲勞問題。
疲勞
一般情況下，復(fù)合材料的拉伸疲勞優(yōu)于金屬。在正交層合板時疲勞或交變載荷作用下的開裂相對穩(wěn)定，比金屬開裂擴展的慢。對復(fù)合材料必須注意受沖擊后的壓縮、剪切以及層間剪切在交變載荷作用下，引起的疲勞破壞。疲勞引起的早期破壞要因如下：
1. 缺口，尖角
2. 截面突變
3. 突起
4. 極端的偏心載荷
5. 螺栓連接接頭
6. 快速擺動
沖擊損傷
對于碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)將CAI強度（沖擊后壓縮強度）作為設(shè)計參數(shù)之一。飛機上確定損傷容限就是這么考慮的。損傷容限就是部件中允許的損傷范圍，如果超出這個限度，損傷將會顯著影響部件的性能。碳纖維復(fù)合材料的沖擊損傷容限必須在可檢測到的范圍內(nèi)，作為設(shè)計參數(shù)之一加以考慮。
即使存在肉眼不可見的損傷，也要確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生CAI強度的下降。改善沖擊損傷的損傷容限，可以在碳纖維材料中加入芳綸纖維或者玻璃纖維
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NO.1
層合復(fù)合材料沖擊損傷破壞過程研究I.PDF
層合復(fù)合材料沖擊損傷破壞過程研究(I)——宏觀破壞準則.PDF
層合復(fù)合材料沖擊損傷破壞過程研究(I)——數(shù)值分析.PDF
纖維復(fù)合材料損傷過程的數(shù)值模擬.PDF
