玻璃纤维复合材料砂石冲击数值模拟与试验研究.pdf

　５４　　　　玻璃纤维复合材料砂石冲击数值模拟与试验研究　玻璃纤维复合材料砂石冲击数值模拟与试验研究　　　　　周春苹，李兴德，朱杉　　　　　　　　　（１．中航工业济南特种结构研究所，山东济南２５００２３；２．空军驻山东地区军事代表室，山东泰安２７１０００）　　摘要：本文总结以往砂石撞击的文献资料，得到砂石撞击时的速度和能量等参数。进行了砂石撞击复合材料平板的试—　—　验，并且建立了玻璃纤维复合材料平板砂石撞击的ＬＳＤＹＮＡ有限元计算模型，将砂石撞击试验的结果与ＬＳＤＹＮＡ有限元仿　　真计算的结果进行对比，使计算中的复合材料行为与试验中的行为相同。通过对砂石模型的编程处理，使计算中砂石的行为　—　与砂石在撞击中的行为相一致。通过这种方法，得到了采用ＬＳＤＹＮＡ软件计算砂石撞击时复合材料平板及砂石的准确参数　及相关接触参数。在今后砂石撞击雷达罩的计算中，将复合材料平板的模型替换为雷达罩模型，即可形成准确的雷达罩与砂—　石撞击的有限元模型，再采用ＬＳＤＹＮＡ进行雷达罩与砂石撞击的计算，便可得到可靠的仿真计算结果。　　　　　　关键词：砂石冲击；玻璃纤维复合材料；试验；数值模拟　中图分类号：ＴＢ３３２；０３４７．３　　　———　文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０８００５４０５　　　　１前言　　　高的透波性能、恶劣的使用环境以及长的寿命　　　要求决定了要以强度较低的玻璃纤维复合材料进行　　　雷达天线罩的结构设计，且严苛的重量指标往往会　使雷达天线罩的壁厚受到限制。加之有些雷达天线　　　罩在飞机上的安装位置低、与地面的距离近，在飞机　起飞和降落过程中经常会受到跑道碎石的冲击。因　　此对雷达天线罩抗砂石冲击性能的研究具有重要的　现实意义。　飞机复合材料结构所遇到的冲击环境主要包括　　低能量冲击和高能量损伤。其中复合材料结构在飞　　　　　机服役过程中遭受到维修工具掉落、地面设备碰撞、　　　冰雹、在起飞和着陆时机轮溅起的碎石、螺钉及轮胎　　　碎片等都是低能量冲击损伤；而复合材料结构在飞　　　　　机服役过程中遭受到的雷击和鸟撞等为高能量损　　　　　　伤。目前复合材料冲击的研究主要集中在冲击　物多为高速运动近似刚体的金属物的冲击上，国内　　　　　　　　　　　　关于复合材料被鸟撞的研究近几年才研究的较　　　　　多Ｊ，而有关砂石和冰雹对复合材料冲击的研究　　国内却很少见，还有一些文献研究的是复合材料层　　　　　　压板的冲击性能　　　　　　　　　。美国联邦航空管理局　　　（ＦＡＡ）进行了砂石冲击的试验研究１．挖ｊ，并且针对　　　不同的冲击体进行不同的参数研究，试验的规模非　　　常大。在文献［１３］中，针对飓风中的结构进行了撞　击研究。研究的结果可用于指导相关结构的设计。　　　随着数值模拟技术的迅速发展和广泛应用，一　　方面，理论模拟技术的发展为试验测试提供了有效　　　的指导，可以更加经济、有效甚至连续地获取需要的　　　相关量值；另一方面，通过试验可以给出更加反映真　　　实条件下的材料本构模型，该本构模型用于数值模　　　拟，使其得到的仿真结果与试验结果更加吻合。　　由于砂石冲击没有可采用的国内标准的试验方　　　法，因此本文采用了混凝土块来模拟砂石进行冲击　—　　　　试验。参照ＭＩＬＨＤＢＫ一１７Ｆ１４１中的要求，将冲击能　　量定为１３６Ｊ。对于砂石冲击飞机复合材料结构的要　　　求为在２倍设计寿命期后无功能性障碍；如果损伤　　　目视可见，外场修理后不渗水。　　本文采用试验与数值分析方法相结合，研究砂　石冲击对复合材料发生冲击过程中的损伤及应力情　　　　况；在计算结果与试验吻合度较好的情况下，对比分　　　　　析复合材料厚度的变化对砂石冲击的影响，为雷达　　天线罩的抗砂石冲击研究提供参考。　　２砂石冲击问题描述及有关参数　　进行砂石冲击的数值模拟和试验研究，首先要　　　　确定砂石冲击的能量，由于国内没有现成的砂石冲　　　　　击的试验方法标准，参照ＭＩＬ．ＨＤＢＫ一１７Ｆ第三卷中　　第７．３．３节中对飞机实际可能遇到的冲击能量威胁　　　　　的有关要求，在ＭＩＬ－ＨＤＢＫ一１７Ｆ中将冲击能量截止　　值定义为在飞机寿命结束时，其中不超过１０％的飞　　机受到冲击事件的能量会等于或高于这一截止值。　　　　由于反映了美国空军要求和公司的设计准则，Ｂｏｅ。　ｉｎｇ公司对民用飞机验证计划采用的能量截止值是　　１３６Ｊ。因此本文将抗砂石冲击的能量定为１３６Ｊ。　　　收稿日期：２０１４４）２．１８　　　作者简介：周春苹（１９８１一），女，硕士，高级工程师，主要从事复合材料强度计算和试验方面的研究，ｚｅｐ９９２４１＠１２６．ｃｏｍ。　　　　ＦＲＰ／ＣＭ２０１４：，鸯８　　２０１４年第８期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　５５　本文采用混凝土立方体块来模拟砂石。模拟某　　型飞机起飞的临界速度８９ｍ／ｓ，根据此速度换算成　　　　复合材料遭受冲击的砂石总质量为３４．４ｇ。由于雷　　　　　达天线罩在实际使用环境中遇到砂石冲击的偶然　　　　性，本次试验和数值计算将模拟的３４．４ｇ的质量集　　中到一块砂石上并以飞机临界速度８９ｍ／ｓ对复合材　料进行正冲击。　　　　　３试样与试验装置　　３．１试样制作与试样参数　　　砂石试样采用普通水泥、砂、碎石和水按一定比　　　　　例经混合搅拌、注模、振动、凝固而成，脱模并进行养　护后打磨成尺寸约为２４．３×２４．３×　　２４．３ｒａｍ的立方　　体混凝土试样，混凝土的密度实测约为Ｐ＝２．４１ｇ／（３ｍ。　　　　　　本文试验和计算用复合材料层合板是长度为　　　　　　５００ｒａｍ、宽度为２５０ｍｍ的Ｅ玻璃纤维／氰酸酯树脂　　　体系复合材料层合板，该层合板成型采用预浸料手　　工铺．￣ｄｉ／热压罐加压固化工艺。复合材料层合板采　　　　　　　用［０／９０］的铺层方案，单层铺层厚度为０．２４ｍｍ。　　　在距离复合材料层合板宽度方向的两边２５ｒａｍ处各　　　　　　开３个直径为１０ｒａｍ的孔，孔距为７５ｒａｍ，用于固定　　复合材料层合板。　　　　　根据初步所得数值仿真结果，试验选取了３种　　　　　　厚度的复合材料层合板，铺层方案分别为［０／９０］、　　　　　　　［０／９０］和［０／９０］，名义厚度分别为２ｍｍ、２．５ｒａｍ　　　和３ｒａｍ的复合材料层合板。　　　　３．２试验设备与测试方法　试验在中国建筑材料科学研究总院安全玻璃研　　　究所完成。试验设备为高压空气炮，速度的控制精　　　　　　度可以达到０．１ｍ／ｓ。设备的原理图如图１所示。　　　　　　１一泄压阀；２－空气压缩机；３一压力答器；４一容器压力表；　　　　　　５．安全阀；６一空气释放机构；７．砂石衬壳；８一砂石；９－炮管；　　　　１Ｏ．砂石衬壳止动装置；１１．一挡气屏；１２－高速摄影装置；　　　　　１３一速度测量装置；１４一试验件；１５一防护屏；１６一试验台　　　　图１撞击试验装置示意图　　　Ｆｉｇ．１ＴｅｓｔＣｏｎｆ　　　ｉｇｕｒａｔｉｏｎｆｏｒｉｍｐａｃｔｓ　试验设备由发射系统、试验靶架系统、速度测量　系统和高速摄像系统组成。　　发射系统主要由气罐、炮管、附属设备及发射控　“　”　　制装置组成。高压气罐是发射砂石的动力源，气　　“　”　　罐内的压力决定了砂石的速度。通过压力表示　　　　值以及测速装置获得的砂石速度，可以获得对应的　压力．速度关系并作为一种标定曲线，供试验技术人　员掌握有关试验参数。　　　砂石射出炮膛后，则通过安装的高速测试设备　　　　　　测量砂石的速度（撞击的总能量）。砂石速度由微　　机控制的激光测速装置测量。此装置包括激光发射　　机构、激光信号接收机构、计算机及数显设备等构成。　　　３．３试验结果　　　试验时温度为ｌ８ｃ《＝，湿度为４８％。　　试验结果为：　　　　　名义厚度为３．０ｍｍ的复合材料层合板的撞击　　　　速度为９８．０５ｍ／ｓ，撞击能量为１４１．０３Ｊ，实际弹着点　　　为正中。试验结果为试样表面未分层，未被穿透，外　观完好。　　　名义厚度为２．５ｍｍ的复合材料层合板的撞击　　　速度为９１．０３ｍ／ｓ，撞击能量为１４２．５３Ｊ，实际弹着点　　　为正中。试验结果为试样表面未分层，未被穿透，外　观完好。　　　　　名义厚度为２．０ｒａｍ的复合材料层合板的撞击　　　速度为９０．５５ｍ／ｓ，撞击能量为１４０．６２Ｊ，实际弹着点　　为正中。试验结果为试样未被穿透，但铺层有断裂。　　　　受试验系统参数的影响，试验过程中的撞击能　　量略高于规定能量１３６Ｊ。　　　４冲击有限元数值分析　　　砂石冲击问题是典型的接触．冲击弹塑性大变　　形动力学问题。砂石冲击过程是一个非常复杂的非　　　线性过程，冲击载荷随时间和结构的变形而变化，导　　　致载荷与结构耦合。对于接触一冲击系统，在冲击过　　　　　程中，必须遵循质量守恒、能量守恒和动量守恒，并　　　满足初始条件和边界条件。　　—　本文采用瞬态动力学分析软件ＬＳＤＹＮＡ对砂　　石冲击复合材料层合板过程进行数值模拟。　　　　　　４．１冲击系统有限元模型　　　复合材料层合板采用板壳单元ＱＵＡＤ４模拟，砂　　　石采用ＣＨＥＸＡ体单元模拟。在复合材料层合板打　　　　孔处的６个位置处施加固支约束。整个冲击系统的　　　　有限元网格模型如图２和图３所示。　　图２砂石与复合材料层合板相对位置关系　　　　　　　　　Ｆｉｇ．２Ｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｔｅａｎｄｄｅｂｒｉｓ　　　ＦＲＰ／ＣＭ２口１４；Ｎｏ，８　５８　玻璃纤维复合材料砂石冲击数值模拟与试验研究　　２０１４年８月　　　击准确的砂石本构方程是一项需要理论研究的工　　　作，但是从工程应用的角度而言，本文的数值模拟结　　　果与试验结果吻合度较高，为工程设计提供了参考　　　　依据。因而，对未来不同结构类型雷达天线罩的抗　　砂石冲击能力的研究具有非常重要的意义。　参考文献　　　　　　　　　［１］ＳｉｌｖａＭＡＧ，ＧｉｓｍａｓｉｕＣ，ＣｈｉｏｒｒｅａｎＣＧ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ　　　　　ｂａｌｌｉｓｔｉｃｉｎｐａｃｔｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓｆ¨　　　　．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆ　—　ＩｍｐａｃｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，３１：２８９３０６．　　　　　　　　［２］ＷａｍｂｕａＰ，ＶｓｎｇｒｉｍｂｅＢ，ＬｏｍｏｖＳ．Ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｎａｔｕｒａｌｆｉｂｒｅ　　　　　　　　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｏｂａｌｌｉｓｔｉｃｉｍｐａｃｔｂｙｆｒａｇｍｅｎｔｓｉｎｍｌａｔｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｓ［Ｊ］．　　ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００７，７７：２３２－２４０．　　　　　　　　　［３］于连超，陈伟，关玉璞，温海涛．复合材料层合板鸟撞损伤及吸　　　　　　　　　　　　　　能影响因素数值分析［Ｊ］．航空动力学报，２００８，２３（６）：　１１０６．１１１Ｏ．　　　　　　　　　［４］谢宗蕻，卞文杰，昂海松，乔新．蜂窝夹芯结构雷达罩鸟撞有限　　　　　元分析与模拟［Ｊ］．爆炸与冲击，１９９９，１９（３）：２３５－２４２．　　　　　　　　　　　［５］毋玲，郭英男，李玉龙．蜂窝夹芯雷达罩结构的鸟撞数值分析　　［Ｊ］．爆炸与冲击，２００９，２９（６）：６４２－６４７．　　［６］魏兴，高明宝，胡醒醒．运用ｍｄ．ｎａｓｔｒａｎ的鸟撞复合材料层合板　　　　　　　　　　　　　　显示非线形分析［Ｊ］．科学技术与工程，２１００，１１（２０）：　４６７９－４６８３．　　　　　［７］郑涵天，王富生，岳珠峰．复合材料雷达罩鸟撞破坏流固耦合动　　—　响应分析［Ｊ］．振动与冲击，２０１２，３１（８）：１７０１７５．　　　　　［８］金宏彬，丁辛．复合材料弹道冲击性能研究进展［Ｊ］．玻璃钢／复　　合材料，２００２，（２）：１９－２３．　　　［９］刘红影，刘德勤．温度对芳纶／玻璃纤维复合材料层压板冲击性　　　　能的影响［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，（６）：２５－２７．　　　［１０］张华山，黄争鸣．复合材料层压板低速冲击承载能力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