玻璃纤维增强铝合金层合板低速冲击响应分析

　　摘要：基于ABAQUS/Explicit建立了GLARE的有限元模型，分析了其在低速冲击载荷作用下的动态响应，讨论了低速冲击过程中冲头与层合板之间的接触力随冲头位移的变化过程，并进一步分析了低速过程中结构的破坏过程及能量平衡。研究发现：冲头承受的载荷在冲击过程中会发生剧烈变化，且在击穿GLARE前，载荷受冲击速度影响很小;冲头的动能损失基本转化成了层合板结构增加的内能，主要包括铝合金板的塑性变形能、整体材料应变能、因损伤破坏吸收的能量;其中铝合金板的塑性变形能占比最高，可通过进一步设计铝合金板来提高GLARE的抗冲击性能。本文为GLARE层合板在结构冲击防护中的设计及应用提供了重要的参考依据。

　　关键词：玻璃纤维增强铝合金层合板;低速冲击;破坏;能量平衡

　　1引言

　　玻璃纤维增强铝合金层合板(GLARE)由高强度铝合金薄板和玻璃纤维增强复合材料组成，因其具有较强的抗冲击性能、抗氧化及耐疲劳性能而广泛受到工程界的关注，尤其在航空领域[1-2]。值得一提的是，Airbus公司生产的A380飞机即采用GLARE作为机身上段蒙皮的主要材料[3]。

　　低速冲击造成飞机结构的损伤和破坏的现象非常普遍，例如飞机维修时检修车的撞击或工具掉落、飞机起飞降落时跑道的碎片及货物的撞击都有可能对飞机结构造成低速冲击。因此GLARE在低速冲击下的响应分析具有重要的工程意义。近年来，出现了一系列针对GLARE结构冲击响应的试验、理论和数值模拟研究。如文献[4-5]研究了纤维金属层合板在冲击下的动态响应以及能量分析，并将实验结果与铝合金板的冲击实验进行对比。

　　文献[6]通过实验研究了多种铺层结构的GLARE在准静态加载及低速冲击下的动态响应。文献[7-8]通过对GLARE在低速冲击作用下的损伤分析，证明了铝合金层在材料整体抗冲击性能中起到决定性作用。文献[9]改进了传统的连续损伤力学(CDM)模型，并对GLARE低速冲击下的响应进行了实验和仿真分析，发现不同的冲击能量对GLARE造成的损伤的失效形式不同，且接触力的时程曲线存在差异。文献[10]编写了Puck’s准则的VUMAT子程序，并且通过Python脚本建立GLARE层合板低速冲击仿真插件，仿真结果与实验结果一致，为GLARE的工程化推广提供了重要的软件支撑。

　　文献[11]针对GLARE层合板各层材料之间的界面强度进行分析，研究了低速冲击情况下GLARE层合板的脱层情况。文献[12]对GLARE进行了低速冲击试验分析，采用DYNATUP8250自由冲击试验装备进行低速冲击实验，冲击过程中冲击能量可根据冲头的初始降落高度调整，每次冲击过程中冲头的速度、位移、接触力的时程曲线均利用数据采集系统记录并保存，这些数据为GLARE的应用和后续研究提供了重要的参考资料。

　　针对GLARE冲击试验已有多位科研工作者进行了研究，且有学者对其进行了数值模拟分析，他们的工作对本文具有重要的指导意义。但这些工作仅分析了GLARE冲击现象及所需能量，忽略了GLARE在冲击破坏过程中的能量变化。本文基于商业有限元软件ABAQUS/Explicit建立GLARE的有限元模型，并分析不同冲击能量作用下GLARE的动态响应，重点讨论冲击过程中接触力随冲头位移的变化及低速击穿过程中结构的破坏演化及能量平衡。

　　2GLARE层合板低速冲击分析

　　本文的计算模型参考文献[12]中所进行的GLARE层合板低速冲击实验。层合板由上下两层厚为0.3mm的2024-T3铝合金和中间一层厚玻璃纤维环氧树脂板组成，其铺层方式为编织铺层。冲头顶端为直径D=13.1mm的半球，冲头总重M为2.735kg。GLARE试件由两块带有直径Φ为76.4mm圆形窗口的厚钢板固定;冲头自由下落，冲击试件中心。

　　为节省计算时间，冲头初始即放置在GLARE表面(绿色部分)，定义不同初始速度。GLARE采用壳单元建模，网格属性为S4R单元，网格数量为7920，冲头冲击的中心部位网格加密以保证计算的精确性。GLARE的边界条件为外边界全约束。参照文献[12]实验试件的几何尺寸及初始速度建立有限元模型，计算模型包括A、B、C三组(共10个模型)。t代表GLARE板的厚度;v代表冲头的冲击速度;A组加载方式为准静态加载，给冲头一个固定位移;B组和C组仅给定冲头一个初始速度;B组冲击能量比较小，在5.47J~9.78J之间;C组冲击能量比较大，均大于12.3J。

　　3计算结果分析

　　3.1B组低速冲击结果分析

　　因为B组模型的冲击速度较低，冲击能量较小，除B2外，冲头均未击穿GLARE，并发生反弹。以B3为例：随着冲头向下位移的增大，接触力先增大后减小;当冲头的向下位移达到约6.8mm时，冲头发生反弹，位移开始减小，且接触力继续减小;当位移减小为5.2mm时，接触力减小为0，此刻反弹过程结束，冲头与GLARE脱离接触。

　　随着冲头位移的逐渐增加，GLARE板发生变形，接触力逐渐增大，直至结构发生破坏;结构发生破坏后，接触力逐渐减小;当冲头位移达到14.5mm时，接触力接近0，即此时已经发生击穿。从中可以获得冲击过程中GLARE结构的状态变化，接头与GLARE板接触点应力逐渐增大，达到临界应力后发生击穿;位移继续增加，破口逐渐增大。

　　可以发现冲头损耗的动能基本转化为了GLARE增加的内能。GLARE的内能主要由铝合金板塑性耗散能、GLARE应变能、GLARE破坏耗散能、GLARE伪应变能等组成;其中铝合金板的塑性耗散能最大，再次证明了铝合金在GLARE低速冲击过程中，起到了非常重要的吸能作用[7-8]。后续工作中，若要增强GLARE板的吸能效果，可以围绕增加塑性能量耗散来开展。

　　结构弹性能和结构破坏消耗的能量相对较低;结构破坏发生时，结构弹性能会明显下降，可以认为一部分弹性能由于结构破坏被消耗掉;伪应变能很小，侧面证明了本文计算的可靠性。此外，对比本文的计算结果，如接触力的变化规律、最大接触力、击穿过程，发现其与文献[12]的实验结果吻合良好。

　　力学论文投稿刊物：《应用力学学报》(双月刊)1984年创刊，是中央级学术刊物。《应用力学学报》主要反映现代力学在工程实际中的应用，及时交流运用控力学理论、计算方法和实验技术在解决工程实际问题中取得的新成果。涉及内容包括流体、振动、强度等方面的问题。

　　4结论

　　本文基于ABAQUS/Explicit建立了GLARE的低速冲击模型，并分析了不同冲击能量作用下GLARE的动态响应。在仿真过程中发现：在冲击过程中，冲头承受的载荷变化剧烈;且在GLARE破坏前，载荷与冲击速度无关。本文还讨论了GLARE低速冲击过程中结构的破坏及能量转化过程;结果表明：冲头的动能基本转化为了GLARE的内能，包括铝合金板的塑性耗散能、结构应变能及结构破坏耗散能等，其中铝合金板的塑性耗散能所占比例最高，可通过对铝合金板进行进一步的设计提高GLARE的抗冲击性能。本文工作对于GLARE层合板的低速冲击过程进行了详尽研究，为GLARE在低速冲击下的模拟提供了一个算例。本文采用的计算技术具有一般性，可以推广到类似结构的冲击响应分析。

　　参考文献(References)

　　[1]VLOTA，VOGELESANGLB，DEVRIESTJ.Towardsapplicationoffibremetallaminatesinlargeaircraft[J].Aircraftengineeringandaerospacetechnology，1999，71(6)：558-570.

　　[2]VOGELESANGLB，VLOTA.Developmentoffibremetallaminatesforadvancedaerospacestructures[J].Journalofmaterialsprocessingtechnology，2000，103(1)：1-5.

　　[3]WUGC，YANGJM.ThemechanicalbehaviorofGLARElaminatesforaircraftstructures[J].JOM，2005，57(1)：72-79.

　　[4]刘强强，王俊，刘伟庆.纤维复合材料包裹钢管冲击功响应分析[J].应用力学学报，2020，37(5)：1941-1947.(LIUQiangqiang，WANGJun，LIUWeiqing.Impactworkanddynamicperformanceanalysisofsteeltubewrappedwithfiberreinforcedpolymer[J].Chinesejournalofappliedmechanics，2020，37(5)：1941-1947(inChinese)).

　　[5]LILJ，SUNLY，WANGTK，etal.Repeatedlow-velocityimpactresponseanddamagemechanismofglassfiberAluminiumlaminates[J].Aerospacescienceandtechnology，2019，84：995-1010.

　　作者：李宁1周进雄2

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