玻璃纖維增強鋁合金層合板低速沖擊響應分析

　　摘要：基于ABAQUS/Explicit建立了GLARE的有限元模型，分析了其在低速沖擊載荷作用下的動態響應，討論了低速沖擊過程中沖頭與層合板之間的接觸力隨沖頭位移的變化過程，并進一步分析了低速過程中結構的破壞過程及能量平衡。研究發現：沖頭承受的載荷在沖擊過程中會發生劇烈變化，且在擊穿GLARE前，載荷受沖擊速度影響很小;沖頭的動能損失基本轉化成了層合板結構增加的內能，主要包括鋁合金板的塑性變形能、整體材料應變能、因損傷破壞吸收的能量;其中鋁合金板的塑性變形能占比最高，可通過進一步設計鋁合金板來提高GLARE的抗沖擊性能。本文為GLARE層合板在結構沖擊防護中的設計及應用提供了重要的參考依據。

　　關鍵詞：玻璃纖維增強鋁合金層合板;低速沖擊;破壞;能量平衡

　　1引言

　　玻璃纖維增強鋁合金層合板(GLARE)由高強度鋁合金薄板和玻璃纖維增強復合材料組成，因其具有較強的抗沖擊性能、抗氧化及耐疲勞性能而廣泛受到工程界的關注，尤其在航空領域[1-2]。值得一提的是，Airbus公司生產的A380飛機即采用GLARE作為機身上段蒙皮的主要材料[3]。

　　低速沖擊造成飛機結構的損傷和破壞的現象非常普遍，例如飛機維修時檢修車的撞擊或工具掉落、飛機起飛降落時跑道的碎片及貨物的撞擊都有可能對飛機結構造成低速沖擊。因此GLARE在低速沖擊下的響應分析具有重要的工程意義。近年來，出現了一系列針對GLARE結構沖擊響應的試驗、理論和數值模擬研究。如文獻[4-5]研究了纖維金屬層合板在沖擊下的動態響應以及能量分析，并將實驗結果與鋁合金板的沖擊實驗進行對比。

　　文獻[6]通過實驗研究了多種鋪層結構的GLARE在準靜態加載及低速沖擊下的動態響應。文獻[7-8]通過對GLARE在低速沖擊作用下的損傷分析，證明了鋁合金層在材料整體抗沖擊性能中起到決定性作用。文獻[9]改進了傳統的連續損傷力學(CDM)模型，并對GLARE低速沖擊下的響應進行了實驗和仿真分析，發現不同的沖擊能量對GLARE造成的損傷的失效形式不同，且接觸力的時程曲線存在差異。文獻[10]編寫了Puck’s準則的VUMAT子程序，并且通過Python腳本建立GLARE層合板低速沖擊仿真插件，仿真結果與實驗結果一致，為GLARE的工程化推廣提供了重要的軟件支撐。

　　文獻[11]針對GLARE層合板各層材料之間的界面強度進行分析，研究了低速沖擊情況下GLARE層合板的脫層情況。文獻[12]對GLARE進行了低速沖擊試驗分析，采用DYNATUP8250自由沖擊試驗裝備進行低速沖擊實驗，沖擊過程中沖擊能量可根據沖頭的初始降落高度調整，每次沖擊過程中沖頭的速度、位移、接觸力的時程曲線均利用數據采集系統記錄并保存，這些數據為GLARE的應用和后續研究提供了重要的參考資料。

　　針對GLARE沖擊試驗已有多位科研工作者進行了研究，且有學者對其進行了數值模擬分析，他們的工作對本文具有重要的指導意義。但這些工作僅分析了GLARE沖擊現象及所需能量，忽略了GLARE在沖擊破壞過程中的能量變化。本文基于商業有限元軟件ABAQUS/Explicit建立GLARE的有限元模型，并分析不同沖擊能量作用下GLARE的動態響應，重點討論沖擊過程中接觸力隨沖頭位移的變化及低速擊穿過程中結構的破壞演化及能量平衡。

　　2GLARE層合板低速沖擊分析

　　本文的計算模型參考文獻[12]中所進行的GLARE層合板低速沖擊實驗。層合板由上下兩層厚為0.3mm的2024-T3鋁合金和中間一層厚玻璃纖維環氧樹脂板組成，其鋪層方式為編織鋪層。沖頭頂端為直徑D=13.1mm的半球，沖頭總重M為2.735kg。GLARE試件由兩塊帶有直徑Φ為76.4mm圓形窗口的厚鋼板固定;沖頭自由下落，沖擊試件中心。

　　為節省計算時間，沖頭初始即放置在GLARE表面(綠色部分)，定義不同初始速度。GLARE采用殼單元建模，網格屬性為S4R單元，網格數量為7920，沖頭沖擊的中心部位網格加密以保證計算的精確性。GLARE的邊界條件為外邊界全約束。參照文獻[12]實驗試件的幾何尺寸及初始速度建立有限元模型，計算模型包括A、B、C三組(共10個模型)。t代表GLARE板的厚度;v代表沖頭的沖擊速度;A組加載方式為準靜態加載，給沖頭一個固定位移;B組和C組僅給定沖頭一個初始速度;B組沖擊能量比較小，在5.47J~9.78J之間;C組沖擊能量比較大，均大于12.3J。

　　3計算結果分析

　　3.1B組低速沖擊結果分析

　　因為B組模型的沖擊速度較低，沖擊能量較小，除B2外，沖頭均未擊穿GLARE，并發生反彈。以B3為例：隨著沖頭向下位移的增大，接觸力先增大后減小;當沖頭的向下位移達到約6.8mm時，沖頭發生反彈，位移開始減小，且接觸力繼續減小;當位移減小為5.2mm時，接觸力減小為0，此刻反彈過程結束，沖頭與GLARE脫離接觸。

　　隨著沖頭位移的逐漸增加，GLARE板發生變形，接觸力逐漸增大，直至結構發生破壞;結構發生破壞后，接觸力逐漸減小;當沖頭位移達到14.5mm時，接觸力接近0，即此時已經發生擊穿。從中可以獲得沖擊過程中GLARE結構的狀態變化，接頭與GLARE板接觸點應力逐漸增大，達到臨界應力后發生擊穿;位移繼續增加，破口逐漸增大。

　　可以發現沖頭損耗的動能基本轉化為了GLARE增加的內能。GLARE的內能主要由鋁合金板塑性耗散能、GLARE應變能、GLARE破壞耗散能、GLARE偽應變能等組成;其中鋁合金板的塑性耗散能最大，再次證明了鋁合金在GLARE低速沖擊過程中，起到了非常重要的吸能作用[7-8]。后續工作中，若要增強GLARE板的吸能效果，可以圍繞增加塑性能量耗散來開展。

　　結構彈性能和結構破壞消耗的能量相對較低;結構破壞發生時，結構彈性能會明顯下降，可以認為一部分彈性能由于結構破壞被消耗掉;偽應變能很小，側面證明了本文計算的可靠性。此外，對比本文的計算結果，如接觸力的變化規律、最大接觸力、擊穿過程，發現其與文獻[12]的實驗結果吻合良好。

　　力學論文投稿刊物：《應用力學學報》(雙月刊)1984年創刊，是中央級學術刊物。《應用力學學報》主要反映現代力學在工程實際中的應用，及時交流運用控力學理論、計算方法和實驗技術在解決工程實際問題中取得的新成果。涉及內容包括流體、振動、強度等方面的問題。

　　4結論

　　本文基于ABAQUS/Explicit建立了GLARE的低速沖擊模型，并分析了不同沖擊能量作用下GLARE的動態響應。在仿真過程中發現：在沖擊過程中，沖頭承受的載荷變化劇烈;且在GLARE破壞前，載荷與沖擊速度無關。本文還討論了GLARE低速沖擊過程中結構的破壞及能量轉化過程;結果表明：沖頭的動能基本轉化為了GLARE的內能，包括鋁合金板的塑性耗散能、結構應變能及結構破壞耗散能等，其中鋁合金板的塑性耗散能所占比例最高，可通過對鋁合金板進行進一步的設計提高GLARE的抗沖擊性能。本文工作對于GLARE層合板的低速沖擊過程進行了詳盡研究，為GLARE在低速沖擊下的模擬提供了一個算例。本文采用的計算技術具有一般性，可以推廣到類似結構的沖擊響應分析。

　　參考文獻(References)

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　　作者：李寧1周進雄2

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