层合板低速冲击仿真 原创

关键词：ABAQUS VUMAT，低速冲击，接触力，失效，层合板

复合材料无论是从仿真角度还是从试验角度，都是个金字塔式的研究。Step by step，环环相扣，缺一不可。

最近遇到很多学生都在做复合材料低速冲击失效的分析。而在做冲击分析之前，还得把材料的各个方向的静强度、模量分析好，或者通过试验得到准确的参数。

这样拉伸、压缩、剪切，不同方向都来一遍，工作量还是很大的。拿到这些基本参数后，才能开展冲击仿真。

冲击仿真，无论是想把失效形式、失效分布模拟出来，还是把接触力响应曲线模拟出来，都很有难度。这是由接触问题本身的复杂性以及试验的分散性决定的。并且，显示动力学求解速度慢，计算耗时长，仿真结果影响因素多。

因此，想把各个参数或者边界条件都摸清楚，让仿真能够复现试验，需要足够的耐心，足够的时间，和一台配置还不错的计算机。

本文我们结合一个论文的算例，采用ABAQUS VUMAT 给出低速冲击下的层合板失效分析结果。

模型与参数

铺层：16层，单层厚度0.1325mm。[0/±22.5/±45/±77.5/90]_s。

层合板尺寸：150mm×100mm。

冲头：2.077kg，R=8mm。

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材料是碳纤维复合材料，参数如下：

边界条件与载荷

冲击能量：11J，换算成冲击速度是3.2546m/s。

约束：实际试验中，板子被放在一个镂空的工装上，125mm×75mm。因此仿真中，约束125mm×75mm之外的底部节点的厚度方向位移。

图来源：谭建设.复合材料层合板低速冲击响应的试验研究与仿真分析[D].上海交通大学,2014.

仿真的约束

本构模型与失效处理

在VUMAT中，采用Hashin准则进行失效判断，对失效的单元做刚度折减模拟失效。注意，这里没有使用单元删除。

接触力结果

文献接触力结果如下：

图来源：谭建设.复合材料层合板低速冲击响应的试验研究与仿真分析[D].上海交通大学,2014.

工作室仿真结果如下，从结果看，工作室的仿真效果要优于文献结果。

工作室仿真结果

失效分布结果

文献结果如下：

文献的背面仿真结果

图来源：谭建设.复合材料层合板低速冲击响应的试验研究与仿真分析[D].上海交通大学,2014.

工作室仿真结果如下，从结果看，背面和文献都能仿真出接近“十字形”分布。文献没有对试验件进行扫描，只做了拍照，照片看不清晰，这里就放试验的图了。

工作室的背面仿真结果

工作室的背面仿真结果

容易踩坑的点

（1）边界条件：动力学的分析对边界条件非常敏感，约束的条件尽量和试验保持一致；

（2）材料参数：材料参数要尽可能准确，否则接触载荷和失效分布会差异很大；

（3）结果后处理：如果冲头冲破试验件，仿真和试验的接触载荷要去对比前半段，后半段没有意义。