一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法技术

一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法，其先在有限元软件中建立基于面层

【技术实现步骤摘要】
一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法


[0001]本专利技术属于船舶复合材料性能评价
，具体涉及一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法。

技术介绍

[0002]船舶复合材料经常采用混杂纤维的材料体系。例如，碳纤维复合材料以其高比模量、高比强度、抗疲劳、耐腐蚀等优越性能而备受推崇，也为结构设计创造了较大的减重空间。但是碳纤维的抗冲击性能较弱却成为应用的一个制约因素。玻璃纤维具有较高韧性的特点，将板件制备为碳—玻璃混杂纤维复合材料，在一定程度上弥补碳纤维的不足，这为扩大复合材料的应用范围提供了可行途径。而为了更高效地开展混杂纤维复合材料的性能研究，建立混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法是很有必要的。
[0003]已有若干关于复合材料铺层设计和冲击损伤表征的研究。申请号为“CN201510230293.7”，名称为“一种复合材料冲击损伤后剩余压缩强度的分析方法”根据冲击过程确定的损伤面积，采用整体
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局部模型分析方法计算低速冲击后层合板的剩余压缩强度。然而，该方法也没有考虑到冲击后复合材料结构的实际损伤类型和损伤程度等实际情况，仅仅根据损伤面积进行预测，即对冲击损伤本身进行了一定简化处理，所以预测结果的精度提高不多。《实现复合材料冲击损伤信息三维化的方法、系统和介质》（CN113076602A）首先通过试验手段获取复合材料部件相关联的冲击损伤信息，而后在三维结构模型上构建相应的冲击损伤信息三维模型，该方法需要依赖试验数据，不利于复合材料冲击损伤评价的快速优化。
[0004]目前，复合材料抗冲击性能评价仍主要关注于层合板，对于以各向同性强化本构的可压缩泡沫模型为基础的复混杂纤维合材料夹芯板抗冲击性能评价仍未出现，此外，夹芯材料与面层之间的界面以及夹芯材料自身在受到冲击时同样存在发生损伤的可能，因此考虑夹芯面层界面以及夹芯材料在仿真计算过程中是必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法，其以各向同性强化本构的可压缩泡沫模型为基础对复混杂纤维合材料夹芯板抗冲击性能实现准确评价，通过改变不同纤维的混杂比例，可实现不同混杂比例混杂纤维复合材料夹芯板的抗冲击性能快速评价。
[0006]本专利技术为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法，包括以下步骤：S1、基于面层
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夹芯材料
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面层顺序的铺层设计、在有限元软件中建立混杂纤维复合材料夹芯板的仿真模型，并进行有限元网格划分：其中，夹芯材料的塑性本构采用Fortran编程语言编写vumat子程序，建立基于各向同性强化本构的可压缩泡沫模型，
S2、确定S1所建立仿真模型的模型参数；S3、对仿真模型施加边界约束条件后进行落锤冲击模拟试验，提取各网格单元的应力、应变、损伤因子信息；S4、将S3提取的信息以预定义场的形式赋予S2建立的仿真模型获得评价用仿真模型；S5、使用S4获得的评价用仿真模型进行冲击
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压缩模拟测试，获得混杂纤维复合材料夹芯板的冲击后剩余压缩强度性能。
[0007]进一步地，S1中塑性强化部分采用单向压缩时的塑性硬化数据进行模拟，基于Fortran编程语言，依据单向压缩时的应力—应变曲线，对每个应力输入值，选择曲线上应力—应变点对应的材料弹性模量作为材料参数计算条件，随着载荷逐渐增大，每一个计算步输入的应力值逐渐增大，反复迭代，不断更新材料弹性模量，形成描述夹芯材料弹性模量变化的vumat子程序。
[0008]进一步地，夹芯材料的损伤破坏准则采用延性破坏准则，该准则假设损伤发生时的等效塑性应变是应力三轴比和应变率的函数，当满足时，发生损伤，式中：ω
D
—夹芯材料随着塑性变形单调增加的状态变量；—等效塑性应变率；η—应力三轴比；ε
pl
—应变变量。
[0009]进一步地，夹芯材料的初始弹性模量设置为622MPa，泊松比设置为0.35。
[0010]进一步地，S1中面层按照设定的混杂比例以碳纤维和玻璃纤维交替铺层进行混杂。
[0011]进一步地，S1中碳纤维和玻璃纤维的混杂比例为1：1。
[0012]进一步地，S2中所述模型参数包括碳纤维复合材料层和板以及玻璃纤维复合材料层和板的拉伸、压缩、剪切性能。
[0013]进一步地，网格划分中网格采用三维减缩积分实体单元。
[0014]进一步地，S1所建立的仿真模型中在夹芯材料与各面层间引入与夹芯材料弹性模量箱体的内聚力单元。
[0015]进一步地，内聚力单元的厚度为0.02mm。
[0016]本专利技术的有益效果：1.本专利技术在对混杂纤维复合材料夹芯板建立仿真模型时，通过Fortran编程语言编写vumat子程序，建立基于各向同性强化本构的可压缩泡沫模型，夹芯材料的塑性本构采用基于各向同性强化本构的可压缩泡沫模型，有效准确评价了混杂纤维复合材料夹芯板的抗冲击性能。
[0017]2.本专利技术在建立仿真模型时，引入接近零厚度的内聚力单元对各界面层进行模拟，能够较好的模拟面内压缩过程中夹芯材料和面板之间的界面损伤，使仿真模型更加贴合夹芯材料与面层之间的界面以及夹芯材料自身在受到冲击时发生损伤的实际情况。
[0018]3.本专利技术的抗冲击评价方法基于单一纤维层合板性能，进行混杂纤维复合材料夹芯板的冲击性能预测，能够通过改变不同纤维的混杂比例，实现不同混杂比例混杂纤维复合材料夹芯板的快速性能评价，节省实验成本、时间成本，实现复合材料研发的快速迭代。
[0019]附图说明：图1为夹芯板的铺层设计示意图；图2为面层的铺层方式示意图；图3为夹芯板冲击模型的示意图；图4为夹芯材料单向压缩的应力—应变曲线；图5为夹芯板的面层损伤示意图；图6为夹芯板的夹芯材料损伤示意图；图7为冲击
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压缩仿真应力结果示意图；图8为夹芯板在不同冲击损伤程度条件下的载荷—位移曲线。
具体实施方式
[0020]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明，在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0021]一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法，包括以下步骤：S1、基于面层
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夹芯材料
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面层顺序的铺层设计、在有限元软件中建立混杂纤维复合材料夹芯板的仿真模型，并进行有限元网格划分：如图1和图2所示，本专利技术基于面层
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夹芯材料
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面这样的顺序进行铺层设计，其中，面层部分按照预定的待混杂比例进行铺层，在本实施例中，面层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于面层
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夹芯材料
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面层顺序的铺层设计、在有限元软件中建立混杂纤维复合材料夹芯板的仿真模型，并进行有限元网格划分：其中，夹芯材料的塑性本构采用Fortran编程语言编写vumat子程序，建立基于各向同性强化本构的可压缩泡沫模型；S2、确定S1所建立仿真模型的模型参数；S3、对仿真模型施加边界约束条件后进行落锤冲击模拟试验，提取各网格单元的应力、应变、损伤因子信息；S4、将S3提取的信息以预定义场的形式赋予S2建立的仿真模型获得评价用仿真模型；S5、使用S4获得的评价用仿真模型进行冲击
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压缩模拟测试，获得混杂纤维复合材料夹芯板的冲击后剩余压缩强度性能。2.如权利要求1所述的一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法，其特征在于，S1中夹芯材料的塑性强化部分采用单向压缩时的塑性硬化数据进行模拟，基于Fortran编程语言，依据单向压缩时的应力—应变曲线，对每个应力输入值，选择曲线上应力—应变点对应的材料弹性模量作为材料参数计算条件，随着载荷逐渐增大，每一个计算步输入的应力值逐渐增大，反复迭代，不断更新材料弹性模量，形成描述夹芯材料弹性模量变化的所述vumat子程序。3.如权利要求2所述的一种混杂纤维复合材料夹芯板抗冲击性能评价方法，其特征在于，夹芯材料的损伤破坏准则采用延性破...

【专利技术属性】
技术研发人员：边天涯，陈润华，樊晓斌，张笑梅，李想，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二五研究所，
类型：发明
国别省市：