【课程预告】第一期“有限元方法与编程”培训！
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随着复合材料在航空工业中的应用越来越广泛，尤其是碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料，其优异的比性能和设计优势使其成为替代传统材料的理想选择。然而，CFRP 复合材料对碰撞损伤的敏感性限制了其进一步应用。碰撞可能导致多种损伤机制，需要对厚复合材料层压板的碰撞损伤进行深入研究和分析，以开发能够预测损伤类型、位置和程度的分析方法，从而预测碰撞后的残余强度。目前，有限元方法 (FEM)在模拟碰撞损伤方面取得了一定进展，但其计算量巨大，难以应用于厚复合材料层压板。因此，开发一种高效且准确的厚复合材料碰撞损伤预测方法至关重要。
近日，《Composite Structures》期刊发表了一篇由荷兰皇家航空航天中心 (NLR) 和代尔夫特理工大学航空航天工程学院的研究团队完成的有关厚织物 CFRP 复合材料层压板碰撞损伤的数值预测的研究成果。该研究提出了一种高效且准确的数值预测方法，用于评估厚织物 CFRP 复合材料层压板在低速和高速碰撞下的损伤情况，为复合材料结构的设计和认证提供了重要工具。论文标题为“Numerical prediction of impact damage in thick fabric composite laminates”。
该研究首先建立了二维轴对称模型，用于模拟厚复合材料层压板在低速和高速碰撞下的损伤情况。为了准确模拟损伤行为，研究人员采用了 离散断裂方法DFM 和 内聚力模型CZM，并结合了考虑织物波纹和塑性变形的建模方法。
为了提高计算效率，模型采用线性轴对称四边形单元进行离散化，并使用 Python 脚本进行前处理和后处理。此外，研究人员还通过敏感性分析评估了模型参数对预测结果的影响。
为了校准和验证数值模型的损伤行为，研究人员首先模拟了双悬臂梁 (DCB) 和端缺口弯曲 (ENF) 实验。DCB 实验用于确定材料 I 型层间断裂能，而 ENF 实验用于确定材料 II 型层间断裂能。通过比较模拟结果与实验数据和理论公式，研究人员验证了模型的弹性行为和断裂性能。
为了将模型应用于动态碰撞分析，研究人员对模型进行了修改，并将其转换为显式求解器。此外，研究人员还校准了模型参数，以考虑材料在高速碰撞下的应变率效应。
通过模拟落锤碰撞实验，研究人员发现，校准后的模型能够准确预测碰撞响应和损伤模式。然而，与实验结果相比，模拟预测的损伤面积较大。为了解决这个问题，研究人员通过增加层间内聚力强度来补偿应变率效应，并取得了满意的结果。
为了验证该研究提出的数值方法的准确性，研究人员将其与一系列碰撞实验结果进行了比较。实验包括低速落锤碰撞和高速气枪碰撞，碰撞能量、铺层和层压板厚度各不相同。通过与实验结果的比较，研究人员发现模型能够准确预测损伤模式、损伤尺寸和碰撞响应，证明了该方法的有效性。
文章提出了一种使用离散断裂模型 (DFM) 和内聚力单元对厚织物碳纤维增强塑料 (CFRP) 复合材料层压板进行冲击行为模拟的方法。该方法通过一系列校准、验证和验证步骤开发而成，包括 DCB 和 ENF 试验的模拟、准静态压痕试验的模拟、动态冲击模型的改进和校准实验。研究发现，2D 轴对称模型能够有效地预测厚复合材料层压板在冲击下的损伤行为，并揭示了冲击能量、质量和层压板厚度对损伤宽度、恢复系数、总裂纹能量和层间/层内能量比的影响规律。这项研究为厚复合材料层压板的冲击损伤预测、设计和认证提供了重要的理论和实践指导。
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