玻纤铝合金层板受低速冲击损伤实验和仿真

万云，章继峰，王振清，周利民

（1.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2.香港理工大学机械工程系，香港999077）

玻纤铝合金层板受低速冲击损伤实验和仿真

万云1，章继峰1，王振清1，周利民2

（1.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2.香港理工大学机械工程系，香港999077）

为了研究GLARE板受冲击载荷下破坏机理。落锤实验分析了GLARE板抗低速冲击性能，给出了其在实验中的破坏响应。实验分析了该材料的时间接触力曲线、时间变形曲线、时间能量吸收曲线、以及变形接触力曲线变化过程和试件两面的铝合金层的破坏情况。在ABAQUS软件中，建立了落锤低速冲击的有限元模型。通过对比在不同冲击能量时实验和数值模拟的时间接触力曲线、时间变形曲线、时间能量吸收曲线和铝合金层的破坏，验证了有限元模型的可靠性。在分析对比不同冲击时复合材料和铝合金破坏之后，发现复合材料层的破坏程度变化并不大，相反铝合金层的破坏程度有较大变化，所以铝合金层在材料整体抗冲击性能起重要作用。

玻璃纤维金属层合板；低速冲击；动态响应；损伤演化；损伤机理

复合材料以其高比强度和高比模量、优异的抗疲劳性能、良好的耐热性能和独特的可设计性。通过对其再设计能够达到更好的拉伸冲击等性能［1⁃3］。复合材料在飞行器结构材料中所占的比例，已经逐步成为飞行器结构先进性的重要指标。纤维增强铝合金层板（GLARE）目前得到越来越多的关注。其是由树脂基纤维层和薄铝合金板层交替铺层的一种混杂型结构体系［4⁃6］。因为其抗冲击性能强、较高耐疲劳性能等优点，目前主要被应用在航空领域［7⁃8］。

由于飞机可能遇到如飞鸟、冰雹、跑道碎片的撞击，GLARE的低速冲击性能的研究很有必要。陈勇等［9］分析了GLARE的动态响应（1／2模型）。马玉娥［10］等分析了GLARE、铝合金板以及复合材料的损伤（1／4模型）。Seo等［11］和Sadighi等［12］分析了纤维增强金属层板GLARE 5／3的低速冲击性能。在这些有限元模拟中为了节约计算时间，采用的是1／2模型或者是1／4模型。虽然能节省计算时间，但忽略了GLARE板在受到冲击时其破坏损伤结果不对称并可能造成模拟结果不准确。

本文通过实验和数值模拟分析GLARE材料受落锤低速冲击时，其时间接触力、时间变形、时间能量吸收曲线和变形接触力响应过程以及铝合金层的破坏，发现铝合金层对于GLARE受落锤低速冲击下的重要作用。在ABAQUS中，编写了用户材料子程序VUMAT并给损伤的复合材料加入刚度退化，采用整体建模，建立了GLARE受低速冲击的数值模型，模拟了GLARE受落锤低速冲击下能量吸收、变形以及锤头接触力的变化和复合材料以及铝合金层的损伤情况。

1 落锤低速冲击实验和有限元模型

1.1 物理模型

GLARE 5 2／1材料是由上下两层0.3 mm厚的2024⁃T3和0.62±0.01mm厚玻璃纤维环氧树脂层板组成，其纤维铺层方式为［0°／90°］s，试件总尺寸为100 mm×100 mm×1.22 mm。如图1所示，在Instron Dynatup 9250HV落锤实验机上完成落锤实验。实验机记录试件吸收能量，锤头的接触力以及中间变形曲线。落锤实验机的锤头质量和直径分别为16.9 kg和12.7 mm。冲击能量分别有8、10和15 J，对应的冲击初始速度分别为0.97、1.09和1.33 m／s。

图1 INSTRON 9250HV落锤实验机和落锤实验示意图Fig.1 INSTRON 9250HV impact machine and experi⁃mental set⁃up for drop⁃weight test

1.2 有限元模型

本文采用Abaqus／Explicit求解器计算。因为锤头的变形很小，所以把锤头设为刚体。为了兼顾计算效率和计算精度，试件中部的单元尺寸相比其周边更小。在本文中，有限元模型中铝合金和复合材料层板采用C3D8R单元，虽然材料的结构是对称的，但是材料的破坏情况是非对称的，所以采用完整有限元模型，而不采用1／2或者1／4模型进行简化。由于GLARE的材料特性差异较大，而Johnson⁃Cook本构模型是经验型本构模型，因此本文用于John⁃son⁃Cook本构模型描述2024⁃T3铝合金板的材料属性［13］。该模型中Von Mises等效应力是等效塑性应变、等效塑性应变率和温度的函数，表1给出了材料属性［14⁃15］。

在本文中以Hashin［16］破坏准则编写的VUMAT用户自定义子程序被用于GLARE中复合材料的破坏的模拟。主要是从分层、基体以及纤维的拉伸和压缩6种破坏准则来判定相应的复合材料的损伤。

程序中当满足破坏准则时，单元发生刚度退化。采用Tan［17］提出的材料性能衰减规律来定义材料的刚度退化。表2给出了环氧树脂基玻璃纤维复合材料力学性能［18⁃19］。

表1 铝合金材料参数Table 1 Material properties of aluminium alloy

表2 环氧树脂基玻璃纤维复合材料力学性能Table 2 Material properties of UD S2 glass／FM 94 epoxy prepreg layers

2 结果与讨论

2.1 实验结果与讨论

图2给出了GLARE 5（2／1）在受到8、10以及15 J能量落锤冲击时锤头接触力、试件中心变形、试件吸引能量以及接触力与中心变形关系的曲线。如图2（a），3种冲击能量下最大接触力分别为2.53、2.91和3.07 kN。也就是当冲击能量从8 J增长到10 J时，试件与锤头的最大接触力增长了0.38 kN／15%，而当冲击能量从10 J增长到15 J时，试件与锤头的最大接触力却只增长了0.16 kN／5.5%。观察图2（b）、（c），发现材料吸收的最大能量大于设定的初始冲击能，这是由于锤头与试件接触后都会有小距离的下落，造成锤头的实际输出给材料的势能要稍大于初始设定的势能，当冲击能量为8、10和15 J时，材料最大吸收能量分别达到9.74、12.07和17.41 J同时可以看出当冲击能量为8 J和10 J时，可以看到明显的回弹现象。图2（d）为在受到不同能量冲击下，锤头与试件的接触力峰值所对应的试件中心变形约为8.49 mm，考虑到GLARE材料中铝合金层的面外性能要远远好于复合材料层，所以当试件中心位移在大于8.49 mm之后，锤头与试件的接触力急剧减小是因为强度较高的复合材料层发生破坏。

试件在受到15 J能量的冲击时，试件有较大的变形以及较高的能量吸收，当其峰值接触力最高时（6.99 ms），试件吸收能量和变形分别为10.5 J和8.49 mm，而试件在这样一个整个过程吸收能量和变形分别为17.41 J和12.08 mm。

图2 GLARE 5（2／1）结构在受到能量冲击时的响应Fig.2 Responses of GLARE 5（2／1）under impact energy

试件在受到15 J能量的落锤冲击过程可以被总结为以下过程，当试件中间变形在达到8.49 mm之前，试件能量吸收以及锤头同试件的接触力都有较快的增加，当试件变形达到8.49 mm时，锤头同试件的接触力达到峰值3.07 kN，此时试件吸收锤头能量10.5 J。此时试件中的复合材料部分发生破坏，又由于材料一共吸收17.41 J能量，所以铝合金层的变形对于之后试件吸收6.91 J能量起关键作用。

2.2 数值模拟结果与讨论

图3给出了数值模拟中时间接触力、时间变形以及时间能量吸引曲线。这些数值分析结果都与实验结果曲线趋势相似。

图3 不同冲击能量下实验与有限元结果比较Fig.3 Comparison of experimental and numerical re⁃sults with different impact energies

从表3可以看出数值模拟结果与实验结果误差在可接受范围。

表3 不同冲击能量下数值模拟与实验结果的误差比较Table 3 Comparison of errors between experimental and simulation results under different impact energies

从图4和图5为不同冲击能量下的材料的变形和铝合金层的破坏情况。图6为在不同冲击能量下GLARE试件的中心区域铝合金数值模拟中损伤情况，可以看出其损伤情况与图5的裂纹较一致。本文数值模拟的图3的响应曲线与图6的铝合金的破坏损伤情况同实验结果相符。说明了本文的有限元模型是可靠的。因为GLARE材料中纤维拉伸破坏较关键，所以在下面着重分析复合材料的纤维拉伸破坏情况。

图6和图7给出了GLARE在受到不同冲击能量下，铝合金层和复合材料层中纤维拉伸破坏损伤。这2种破坏的损伤云图都不对称，所以数值模型不能简化。从图7中可以看出，当冲击能量增加时，虽然材料的变形增加，但是损伤单元的数量并没有明显增加。

与此相反，冲击能量增加时，如图6，铝合金板的损伤范围以及裂纹的大小都有明显的增加。从图2（c）和图3（c）中在受不同冲击能量时材料总体能量吸收可以看出，随着冲击能量的增加，材料吸收总能量也有相应的增加，并且在冲击能量为15 J时材料锤头没有反弹。

综上所述，在受到更高冲击能量下，铝合金层的损伤程度的增加是材料能够吸收更多能量的最主要原因，也就是说铝合金层对于GLARE抗冲击性能有重要作用。

图4 GLARE试件在受不同能量冲击后的正反两面整体变形Fig.4 Whole deflection of two sides of GLARE speci⁃men groups with different impact energies

图5 GLARE试件在受不同能量冲击后的正反两面中心区域铝合金破坏Fig.5 Central aluminium damage of two sides of GLARE specimen groups with different impact energies

图6 GLARE试件在受不同能量冲击的数值模拟的正反两面中心区域铝合金破坏Fig.6 Central aluminium damage of two sides of GLARE specimen in the simulations with dif⁃ferent impact energies

图7 GLARE试件在受不同能量冲击数值模拟时复合材料中纤维拉伸破坏单元Fig.7 Fibre tensile damage of composite layer in the simulations with different impact energies

3 结论

1）通过GLARE 5 2／1受落锤低速冲击的实验，分析了该材料在时间接触力曲线、时间变形曲线、时间能量吸收曲线和变形接触力曲线变化的过程，得出铝合金层对于材料的抗冲击性能有重要作用。

2）经过比较数值模拟和实验结果在时间接触力曲线、时间变形曲线、时间能量吸收曲线以及铝合金层的破坏损伤的结果都相吻合。验证了使用整体模型进行有限元计算的必要性和可靠性。

3）通过数值分析在不同冲击能量下铝合金层以及复合材料的破坏，发现冲击能量增加，材料吸收能量也相应增加，并且只有铝合金层的损伤明显增加，进一步证明了铝合金层对于GLARE 5 2／1的抗冲击性能有重要作用。

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Low⁃velocity impact damage on glass fibre reinforced aluminium laminates：experiments and finite element analysis

WAN Yun1，ZHANG Jifeng1，WANG Zhenqing1，ZHOU Limin2

（1.College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Department of Mechanics Engineering，Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong 999077，China）

In order to investigate the failure mechanism of glass⁃fiber reinforced aluminum（GLARE）laminates un⁃der impact loading，the anti-low speed impact performance by a dropweight test on GLARE was presented，and the damage response of GLARE laminates in the test was given.The study first analyses the curves of time⁃contact force，time⁃deflection，time⁃absorbed energy，deflection⁃contact force，and the damage to two aluminum layers of the test specimen.Next，a numerical methodology in ABAQUS is employed to simulate the response in low⁃velocity impact of GLARE laminates and establish the finite element model.After comparing the time⁃contact force，time⁃deflection，time⁃absorbed energy，and the damage to aluminum layers under different circumstances of impact ener⁃gy between experimental and simulation results，the reliability of the finite element model method was validated.Af⁃ter comparing the damages to composites and aluminum under different impact energy，no big difference in the damage to the composite layer was found.However，more damage in the aluminum layer when the impact energy is higher was found，proving that the aluminum layers play an important role in the entire anti⁃impact performance of materials.

GLARE；low⁃velocity impact；impact response；damage evolution；failure mechanism

10.3969／j.issn.1006⁃7043.201404019

TB331

：A

：1006⁃7043（2015）06⁃0769⁃05

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.u.20150428.1117.021.html

2014⁃04⁃04.网络出版时间：2015⁃04⁃28.

港澳台科技合作专项资助项目（2014DFH50060）.

万云（1985⁃），男，博士研究生；王振清（1962⁃），男，教授，博士生导师.

万云，E⁃mail：wanyun0505＠hrbeu.edu.cn.