CN103884609B - 一种层合板横向冲击下分层阈值载荷预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种层合板横向冲击下分层阈值载荷预测方法，包括以下步骤：1)将视作无限厚的复合材料层压板作为基准试验件，对其进行冲击试验，得出其分层阈值载荷；2)用分层阈值载荷计算同一材料体系预测层压板的分层阈值载荷。与现有技术相比，本发明的数据处理中考虑了板挠度对接触半径的影响，具有预测精度高等优点。

Description

一种层合板横向冲击下分层阈值载荷预测方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料层合板性能测量技术，尤其是涉及一种层合板横向冲击下分层阈值载荷预测方法。

背景技术

复合材料层压板广泛应用在航空结构中，对于冲击载荷却十分敏感，非常容易分层损伤，导致材料的压缩强度急剧下降，从而大大降低结构的承载能力，在航空结构工程中，有时需要预测分层阈值载荷。Davies等^[1]基于复合材料II型层间应变能释放率来建立分层阈值载荷模型。Sutherland等^[2]和Yang^[3]等使用环向剪切应力与层间剪切强度的关系预测分层阈值载荷。但是这些预测方法常存在预测精度低等问题。

[1]DaviesGAO，ZhangX.Impactdamagepredictionincarboncompositestructures.IntJImpactEng1995；16：149-70.

[2]SutherlandLS，GuedesSoaresC.Contactindentation0fmarinecomposites.ComposStruct2005；70：287-94.

[3]Yang，F.J.andCantwell，W.J.Impactdamageinitiationincompositematerials.Compos.Sci.Technol,2010，70(2)，336-342。

发明内容

本发明的目的就是为了弥补上述现有技术存在的缺陷而提供一种预测精度高的层合板横向冲击下分层阈值载荷预测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种层合板横向冲击下分层阈值载荷预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将视作无限厚的复合材料层压板作为基准试验件，对其进行冲击试验，得出其分层阈值载荷；

2)用分层阈值载荷计算同一材料体系预测层压板的分层阈值载荷。

该方法具体为：

(1)对基准试验件T0用半径为R₀的冲击头进行冲击试验，得出其分层阈值载荷F₀；

(2)按公式(1)计算基准试验件的材料分层强度S，

$S={\left(\frac{{\mathrm{EF}}_0^2}{{6\mathrm{\π}}^3{h}_0^3{R}_0}\right)}^{\frac{1}{3}}---\left(1\right)$

其中E为基准试验件的等效弹性模量，h₀为基准试验件的厚度；

(3)使用公式(2)计算出层压板的分层阈值载荷的近似值f′₁

$F_1^{\′}=\sqrt{\frac{{6S}^3{\mathrm{\π}}^3{h}_1^3{R}_1}{E}}---\left(2\right)$

其中h₁为预测层压板的厚度，R₁为冲击预测层压板的冲击头的半径；

(4)解方程(3)得到预测层压板在半径为R₁的冲击头作用下，当接触力为F′₁时的接触半径a：

${\{R_1-\frac{F_1^{\′}}{16\mathrm{\πD}}[{2a}^{\′2}\ln \frac{a^{\′}}{b}+\frac{3+\mathrm{\μ}}{1+\mathrm{\μ}}(b^2-a^{\′2})]+\frac{F_1^{\′}}{16\mathrm{\πD}}[{2a}^2\ln \frac{a}{b}+\frac{3+\mathrm{\μ}}{1+\mathrm{\μ}}(b^2-a^2)]-{\left(\frac{{3F}_1^{\′}{R}_1^{1/2}}{4E}\right)}^{\frac{3}{2}}\}}^2+a^2-R_1^2=0$

(3)

式中：μ为该材料体系的等效泊松比，D为预测层压板的等效弯曲刚度，b为预测层压板的等效半径；

(5)解得a后，通过公式(4)计算预测层压板在半径为R₁的冲击头作用下的分层阈值载荷F₁

$F_1=\frac{{2\mathrm{\πah}}_1}{S}---\left(4\right)$

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过计算薄壁挠曲变形来修正冲击接触半径，提高了预测精度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

有一复合材料层压板材料，该材料体系的等效弹性模量E=1.77×10¹¹Pa，等效泊松比μ=0.34。

基准试验件编号为T0，厚度h₀=0.00846m，在受冲击时其响应可视作半空间板受冲击的响应。

要计算冲击分层阈值载荷的试验件为T1，T1的等效半径b=0.09m，厚度h₁=0.003m，等效弯曲刚度D＝161N.m。其在半径为R₁=0.008m冲击头作用下的分层阈值载荷F₁的计算过程如下。

使用半径为R₀＝0.0127m的冲头对T0进行冲击，得到分层阈值载荷为18932N。

使用公式(1)计算得到这种材料的分层强度S为3.54×10⁸Pa。

使用公式(2)计算得到T1的分层阈值载荷的近似值F′₁=3173N。

将已知参数代入方程(3)解得接触半径a=0.00069m。

利用公式(4)计算得到T1的分层阈值载荷F₁=4628N。

Claims (1)

1.一种层合板横向冲击下分层阈值载荷预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将视作无限厚的复合材料层压板作为基准试验件，对其进行冲击试验，得出其分层阈值载荷；

2)用分层阈值载荷计算同一材料体系预测层压板的分层阈值载荷；

该方法具体为：

(1)对基准试验件T0用半径为R₀的冲击头进行冲击试验，得出其分层阈值载荷F₀；

(2)按公式(1)计算基准试验件的材料分层强度S，

$S={\left(\frac{{\mathrm{EF}}_0^2}{6{\mathrm{\π}}^3{h}_0^3{R}_0}\right)}^{\frac{1}{3}}---\left(1\right)$

其中E为基准试验件的等效弹性模量，h₀为基准试验件的厚度；

(3)使用公式(2)计算出层压板的分层阈值载荷的近似值F′₁

$F_1^{\′}=\sqrt{\frac{6S^3{\mathrm{\π}}^3{h}_1^3{R}_1}{E}}---\left(2\right)$

其中h₁为预测层压板的厚度，R₁为冲击预测层压板的冲击头的半径；

(4)解方程(3)得到预测层压板在半径为R₁的冲击头作用下，当接触力为F′₁时的接触半径a：

${\{R_1-\frac{F_1^{\′}}{16\mathrm{\π}D}\[2a^{\′2}ln\frac{a^{\′}}{b}+\frac{3+\mathrm{\μ}}{1+\mathrm{\μ}}(b^2-a^{\′2})\]+\frac{F_1^{\′}}{16\mathrm{\π}D}\[2a^{2}ln\frac{a}{b}+\frac{3+\mathrm{\μ}}{1+\mathrm{\μ}}(b^2-a^2)\]-{\left(\frac{3F_1^{\′}{R}_1^{1/2}}{4E}\right)}^{\frac{2}{3}}\}}^2+a^2-R_1^2=0---\left(3\right)$

式中：μ为该材料体系的等效泊松比，D为预测层压板的等效弯曲刚度，b为预测层压板的等效半径；

(5)解得a后，通过公式(4)计算预测层压板在半径为R₁的冲击头作用下的分层阈值载荷F₁

$F_1=\frac{2{\mathrm{\πah}}_1}{S}---\left(4\right).$