CN114756912B - 一种抗冲击结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗冲击结构，为多块单层板层叠粘合形成的层合板结构，所述单层板包括基体和按同一方向排列于所述基体上的纤维，该层合板内的纤维由上至下方向呈螺旋状设置，相邻的所述单层板之间通过粘接界面粘合。本发明还公开了一种抗冲击结构的设计方法。本发明的有益效果：吸能性能和抗冲击峰值载荷显著提高，通过设计螺旋角，可使其裂纹扩展路径曲折度增加从而有效地抑制分层且其整体刚度增大，更好地保护了其余零部件以及人员的安全。
Description
【技术领域】
本发明涉及抗冲击结构设计技术领域，尤其涉及一种抗冲击结构及其设计方法。
【背景技术】
碳纤维增强复合材料与金属材料相比具有轻质、高比强度、高比刚度等特点，目前在多个行业的应用呈上升趋势。复合材料结构在制造、维修和维护过程中，通常会遭受低速冲击载荷，如掉落工具、飞鸟、冰雹等。研究表明，层合板对平面外方向的冲击载荷非常敏感。复合材料层合板的过早失效模式如分层和微裂纹也限制了其应用。因此，研究复合材料层合板的抗冲击性能具有重要的意义。
铺层取向的变化通过改变损伤机制和损伤扩展来影响复合材料层合板结构的韧性和强度。最重要的是，基体开裂也可以在每层重定向，从而导致复杂的开裂路径。自然界中，从纳米尺度到宏观尺度，可以广泛观察到螺旋状层状结构，如螳螂虾、甲虫的鞘翅和蜗牛壳。在工程领域对结构性能要求逐渐提高的背景下，传统的层合板显然已经无法满足，而合理的螺旋角设计能够很好地提高结构耐撞性。因此，有必要对螺旋结构复合材料层合板进行深入地研究与设计。
【发明内容】
本发明公开了一种抗冲击结构及其设计方法，其抗冲击结构由多层单层板粘合在一起的层合板结构，设计方法为相邻两层单层板的纤维所形成的夹角的设计。其与传统抗冲击结构设计对比，其结构简单、设计方便、极大程度地提高了加工可行性和生产效率。另外螺旋铺层极大地改变损伤机制和损伤扩展，使其在冲击过程中基体开裂与分层损伤扩展得到抑制从而提高其抗冲击能力。此外，同时所提出的损伤模型能够有效捕捉结构的失效机理与吸能特性，为抗冲击层合板结构的设计提供重要参考，从而可以有效解决背景技术中涉及的技术问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种抗冲击结构，为多块单层板层叠粘合形成的层合板结构，所述单层板包括基体和按同一方向排列于所述基体上的纤维，该层合板内的纤维由上至下方向呈螺旋状设置，相邻的所述单层板之间通过粘接界面粘合，所述粘接界面由下述步骤制成：
步骤一、将纤维布按预设的铺设角进行铺层，每铺上一层涂一层树脂与固化剂的混合物；
步骤二、对上、下模具板涂抹脱模剂，待脱模剂干了后将铺设好的纤维布放置于模具之间；
步骤三、对模具中的纤维布进行热压固化；
步骤四、开模。
作为本发明的一种优选改进，该层合板由5-30层单向板粘合而成。
作为本发明的一种优选改进，相邻的所述单层板内的纤维的夹角呈线性变化。
作为本发明的一种优选改进，相邻的所述单层板内的纤维的夹角呈非线性变化。
本发明还提供了种抗冲击结构的设计方法，该设计方法包括如下步骤：
步骤一、建立层合板结构有限元模型；
步骤二、赋予有限元模型材料属性；
步骤三、对层合板结构进行网格划分，并采用公式(1)进行沙漏控制：
其中，M为总体质量矩阵，C为整体阻尼矩阵，K为整体刚度矩阵，Q(t)为总体荷载矢量；x(t)为位移矩阵；
步骤四、设置边界条件；
步骤五、构建复合材料渐进损伤模型描述材料失效，具体包括如下步骤：
根据线弹性本构关系，线弹性变形阶段表示为：
其中，tn为法向牵引应力，ts和tt为两个切向应力；Kn为法向界面刚度系数，Ks和Kt为两个切向界面刚度系数；δn为法向位移，δs和δt为两个切向位移；D为界面损伤变量；为三个当前牵引应力；
随着界面牵引应力的增加，界面将产生初始损伤，采用二次名义应力描述界面初始损伤：
其中，为法向界面强度，和为两个切向界面强度；
在满足界面初始损伤准则后，粘接界面开始产生脱胶或分层，界面的损伤演化模型采用线性损伤演化准则或非线性损伤演化准则进行表示：
线性损伤演化准则：
其中，为界面损伤过程中最大损伤位移，为界面初始损伤位移，为界面完全损伤位移；
非线性损伤演化准则：
其中，dδ为位移的微分，Teff为有效牵引应力，Gc为界面总断裂能，G0为界面弹性能；
采用基于混合模式断裂能的BK准则来定义界面损伤行为，即需要达到一定能量后界面才能完全脱胶分层，其表达式如下：
式中，G为断裂能，GC为临界断裂能；GS＝Gs+Gt，GT＝Gn+Gs+Gt；η为粘性参数；Gn、Gs、Gt为应力在对应位移下的法向和两个切向所作的功；
综合考虑纤维拉伸破坏、纤维压缩破坏、基体拉伸破坏、基体压缩破坏和面内剪切破坏，采用刚度退化方法建立了基于二维框架的正交各向异性复合材料层内损伤模型，采用最大应力损伤起始准则来预测每次破坏的发生，其表达式如下：
纤维拉伸断裂
纤维压缩屈曲和扭结
基体拉伸开裂
基体压缩破碎
面内剪切破坏
其中，和为有效应力张量；FT、FC、MT、MC和S分别为纤维拉伸强度、纤维压缩强度、基体拉伸强度、基体压缩强度和剪切强度；Fij(ij＝ft,fc,mt,mc)分别为纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸、基体压缩、面内剪切的损伤指数，用于评估损伤起始准则，表达式如下：
其中，根据真实应力σ和损伤变量进行计算，损伤变量df、dm、ds分别代表纤维、基体和剪切损伤的内部损伤变量，取值在0-1之间，值为0时表示材料未产生损伤，为1时表示材料完全损坏；
当满足Hashin失效准则的任意损伤判据后，材料开始产生失效进入损伤演化阶段，其性能参数开始按照一定的法则折减，基于刚度线性下降法建立复合材料刚度折减模型，表达式如下所示：
σ＝Cdε (14)
其中，Cd为退化的刚度矩阵；ε为应变；D＝1-(1-df)(1-dm)v12v21；E1为纤维方向的杨氏模量；E2为垂直于纤维方向的杨氏模量；G为剪切模量；v12、v21为泊松比；
步骤六、采用显式有限元算法计算得到仿真结果，并采用以下沙漏控制方法减少误差，具体包括如下步骤：
取初始时刻质点坐标为Xj(j＝1,2,3)，其中，在任意t时刻，该质点的位移xi(i＝1,2,3)可表示为：
xi＝xi(Xj,t) (16)
考虑阻尼效应得到矩阵表示的运动方程，可表示为：
Fre＝Fex-Fin (18)
其中，M为总体质量矩阵，C为整体阻尼矩阵，x(t)为位移矩阵，K为整体刚度矩阵，代表外力，代表内力，代表残余力；
利用运动微分方程的修改形式求得加速度，利用中心差分求解节点速度，由下式表达：
再利用节点速度求得结点位移，由下式表达：
分别输出层合板结构冲击过程中的初始峰值载荷、冲头的总动能以及总内能随时间的变化；
步骤七、失效模式及吸能特性比较；
步骤八、完成最终设计，设计相邻两层纤维的夹角，且夹角的角度在0-180°之间。
作为本发明的一种优选改进，在步骤三中，对层合板结构采用2mm-10mm的网格进行划分。
作为本发明的一种优选改进，在步骤五中，在公式(4)和(5)中，当和D＝0时为界面没有产生损伤；和0＜D＜1时为界面部分损伤；和D＝1时为界面完全损伤。
作为本发明的一种优选改进，在步骤八中，夹角的设计分为线性设计与非线性设计，其中线性设计为夹角线性增加及其增加幅度的设计；非线性设计为夹角按照一定非线性规律选取。
本发明的有益效果如下：
1、采用多层单层板粘合在一起的层合板结构，在冲击载荷作用下与传统层合板结构相比具有更为复杂的失效模式，主要表现在随着每一层纤维角度的不断变化，防止了基体的连续开裂，裂纹在每一层重定向，裂纹路径更加曲折，耗能更大，通过裂纹的面内扩展和裂纹重定向，防止了损伤通过试样厚度的突变扩展，从而提高层合板结构的抗冲击性能，从实验结果来看，本发明提供的非线性螺旋铺层层合板结构的最大冲击载荷和吸能效率有较大的提升；
2、生产加工方便、结构简单，其中非线性螺旋铺设角具有良好的可设计性，目的是诱导裂纹的面内扩展和裂纹重定向；
3、本发明提供了一种失效准测以及一种损伤演化准则，所建立的有限元模型能够准确捕捉冲击载荷作用下层合板结构的失效模式和载荷响应；
4、本发明提供了一套完整系统的抗冲击层合板结构螺旋角设计方案，可操纵性强，为复合材料抗冲击结构的设计提供了重要支撑。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明层合板的结构示意图；
图2为本发明层合板的线性螺旋铺层俯视图；
图3为本发明层合板的非线性螺旋铺层俯视图；
图4为本发明递归螺旋层合板的递归螺旋铺层规律示意图；
图5为本发明递归螺旋层合板的递归螺旋铺层示意图；
图6为本发明递归螺旋层合板的递归螺旋铺层俯视图；
图7为本发明指数螺旋层合板的指数螺旋铺层规律示意图；
图8为本发明指数螺旋层合板的指数螺旋铺层示意图；
图9为本发明指数螺旋层合板的指数螺旋铺层俯视图；
图10为本发明半圆螺旋层合板的半圆螺旋铺层规律示意图；
图11为本发明半圆螺旋层合板的半圆螺旋铺层示意图；
图12为本发明半圆螺旋层合板的半圆螺旋铺层俯视图；
图13为本发明粘接界面在受载时的损伤演化过程图；
图14为本发明一种抗冲击结构的设计方法流程图；
图15为本发明模型验证图；
图16为本发明指数螺旋层合板与准各项同性层合板的冲击响应对比图；
图17为本发明指数螺旋层合板与准各项同性层合板的冲头动能响应对比图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1-6所示，本发明提供了一种抗冲击层合板结构，为多块单层板11层叠粘合形成的层合板结构，所述单层板11包括基体111和按同一方向排列于所述基体111上的纤维112，该层合板1内的纤维112由上至下方向呈螺旋状设置，相邻的所述单层板11之间通过粘接界面(未图示)粘合。
该层合板1中的纤维112分布可以为线性螺旋，具体如图2所示；也可为非线性螺旋，具体如图3所示。线性螺旋每层之间纤维夹角都一致，非线性螺旋每层之间纤维夹角则不全一致。
需要进一步说明的是，请结合图4-12所示，所述非线性螺旋铺设角不限于递归螺旋、指数螺旋以及半圆螺旋，其他非线性螺旋角均适用，铺设角为该层与参考层的夹角，参考层一般为第一层。
参见图4-6所示，递归螺旋层合板的每层铺设角按照公式ai＝ai-1+α(i-1)选取，具体如附图4所示的递归螺旋铺层规律，式中i为层数，ai为第i层的铺设角，同理，ai-1为i-1层的铺设角，α为常数且α＝{1，2，3}。递归螺旋层合板的各层铺设角为先变化慢后变化快，再变化慢。
参见图7-9所示，指数螺旋层合板的每层纤维夹角按照公式ai＝βi选取，具体如附图7所示指数螺旋铺层规律，式中i为层数，ai为第i层的夹角，β为一个常数且β＝{2，2.5，3}，其铺设角变化快慢不一。
参见图10-12所示，半圆螺旋层合板的每层铺设角按照公式选取，具体如附图10所示半圆螺旋铺层规律，式中i为层数，其中ai为第i层的铺设角，Y为一个常数且Y＝{5，10，20}。半圆螺旋层合板的各层铺设角为先变化快后变化慢再变化快。
再参阅图14所示，本发明还提供一种抗冲击结构的设计方法，该设计方法包括如下步骤：
步骤一、建立层合板结构有限元模型；
建立5-30层单层板模型与冲头模型，5-30层单层板装配在一起组成层合板结构，冲头装配在层合板板面正中心法向方向上。
步骤二、赋予有限元模型材料属性；
步骤三、对层合板结构进行网格划分，并采用公式(1)进行沙漏控制：
其中，M为总体质量矩阵，C为整体阻尼矩阵，K为整体刚度矩阵，Q(t)为总体荷载矢量；x(t)为位移矩阵；
步骤四、设置边界条件；
具体的，本发明主要考虑法向中心冲击情况。本发明对层合板四周表面施加固定约束，给与冲头法向速度载荷，初始速度可设置为7m/s-12m/s。
步骤五、构建复合材料渐进损伤模型描述材料失效，具体包括如下步骤：
层间的破坏模式大致可分为线弹性变形阶段、初始损伤阶段和渐进损伤演化阶段，如图13所示。其中OA为线弹性变形阶段，根据线弹性本构关系(Traction-separationlaw)有：
式中：tn为法向牵引应力，ts和tt为两个切向应力；Kn为法向界面刚度系数，Ks和Kt为两个切向界面刚度系数；δn为法向位移，δs和δt为两个切向位移；D为界面损伤变量；为三个当前牵引应力；
随着界面牵引应力的增加，即应力值达到A点后，界面将产生初始损伤，采用二次名义应力来描述界面初始损伤有：
式中：为法向界面强度，和为两个切向界面强度；
在满足界面初始损伤准则后，粘接界面开始产生脱胶或分层，即图13中AB阶段，此时粘接界面的承载能力大大降低，这里界面的损伤演化模型采用线性损伤演化准则或非线性损伤演化准则，如下所示：
线性损伤演化准则：
式中：为界面损伤过程中最大损伤位移，为界面初始损伤位移，为界面完全损伤位移；
非线性损伤演化准则：
式中：dδ为位移的微分，Teff为有效牵引应力，Gc为界面总断裂能，G0为界面弹性能；
在(4)和(5)式中，当和D＝0时为界面没有产生损伤；和0＜D＜1时为界面部分损伤；和D＝1时为界面完全损伤。
采用基于混合模式断裂能的BK准则来定义界面损伤行为，即需要达到一定能量后界面才能完全脱胶分层，其表达式如下：
式中：G为断裂能，GC为临界断裂能；GS＝Gs+Gt，GT＝Gn+Gs+Gt；η为粘性参数；Gn、Gs、Gt为应力在对应位移下的法向和两个切向所作的功；
由于复合材料特殊的材料特性，相比于金属材料，其受载破坏时的损伤演化过程更加复杂，而初始失效准则是预测材料损伤的关键指标，综合考虑纤维拉伸破坏、纤维压缩破坏、基体拉伸破坏、基体压缩破坏和面内剪切破坏，采用刚度退化方法建立了基于二维框架的正交各向异性复合材料层内损伤模型。采用最大应力损伤起始准则来预测每次破坏的发生，其表达式如下：
纤维拉伸断裂
纤维压缩屈曲和扭结
基体拉伸开裂
基体压缩破碎
面内剪切破坏
式中：和为有效应力张量；FT、FC、MT、MC和S分别为纤维拉伸强度、纤维压缩强度、基体拉伸强度、基体压缩强度和剪切强度；Fij(ij＝ft,fc,mt,mc)分别为纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸、基体压缩、面内剪切的损伤指数，用于评估损伤起始准则，表达式如下：
式中：根据真实应力σ和损伤变量进行计算，损伤变量df、dm、ds分别代表纤维、基体和剪切损伤的内部损伤变量，取值在0-1之间，值为0时表示材料未产生损伤，为1时表示材料完全损坏；
当满足Hashin失效准则的任意损伤判据后，材料开始产生失效进入损伤演化阶段，其性能参数开始按照一定的法则折减，基于刚度线性下降法建立复合材料刚度折减模型，表达式如下所示：
σ＝Cdε (14)
式中：Cd为退化的刚度矩阵；ε为应变；D＝1-(1-df)(1-dm)v12v21；E1为纤维方向的杨氏模量；E2为垂直于纤维方向的杨氏模量；G为剪切模量；v12、v21为泊松比；
步骤六、采用显式有限元算法计算得到仿真结果，并采用以下沙漏控制方法减少误差，具体包括如下步骤：
取初始时刻质点坐标为Xj(j＝1,2,3)，其中，在任意t时刻，该质点的位移xi(i＝1,2,3)可由公式(16)表示为：
xi＝xi(Xj,t) (16)
考虑阻尼效应得到矩阵表示的运动方程，由公式(17)到(20)表示：
Fre＝Fex-Fin (18)
其中，M为总体质量矩阵，C为整体阻尼矩阵，x(t)为位移矩阵，K为整体刚度矩阵，代表外力，代表内力，代表残余力；
利用运动微分方程的修改形式求得加速度，利用中心差分求解节点速度，由公式(21)表达：
再利用节点速度求得结点位移，由公式(22)表达：
分别输出层合板结构冲击过程中的初始峰值载荷、冲头的总动能以及总内能随时间的变化；
步骤七、失效模式及吸能特性比较；
比较抗冲击层合板在受到冲击时的失效模式、载荷-时间响应、位移-时间响应和冲头动能-时间响应。吸能性能优异的层合板结构应具备如下特征：层合板不被穿透，但峰值载荷不高，穿透层数多，分层破坏明显，冲头动能耗散高。抗冲击性能强的层合板结构应具备如下特征：层合板被穿透的层数少，峰值载荷高，冲头动能耗散低。
步骤八、完成最终设计，设计相邻两层纤维的夹角，且夹角的角度在0-1800之间。
具体的设计夹角非线性变化程度，即非线性变化的二阶导数大小。
下面以具体实施例1对本发明提供的一种抗冲击结构及其设计方法进行详细说明。
实施例1
本发明提供一种抗冲击结构及其设计方法，其中层合板为20层T700/3234碳纤维复合材料制成的单向层板。准各向同性层合板作为参考对比，其铺层设计为[-45/0/0/45/0/-45/0/45/0/0]S，指数螺旋层合板的铺层设计为[3/9/27/81/243]2S,层合板长、宽、高分别为125mm,75mm和2.5mm，平均每层厚度为0.125mm。
采用仿真方式分别对准各向同性层合板、指数螺旋层合板进行有限元模拟，并且通过载荷响应曲线、动能响应曲线来研究该两种层合板的抗冲击性能。从图15中可以看出，实验结果与本文结果的结果总体上具有很好的相关性。所有曲线都经历了冲击阶段和回弹阶段两个阶段。从图15中可以看出，实验和模拟的最大破碎载荷分别为5.25kN和5.0kN。实验与模拟的最大冲击载荷误差仅为5.0％，表明层板的抗冲击能力非常接近。唯一的差异是层板在冲击和回弹阶段的刚度略有不同。这主要是由于冲击过程中模拟的过早分层损伤造成的。结果表明，该模型能有效地模拟层板的抗冲击能力。
指数螺旋层合板与准各向同性层合板的冲击响应在图16给出，在加载初期，两冲击曲线都有相似的斜率或刚度，表现为无损伤时的线性抗冲击响应。随后，在1ms的时间内观察到刚度的轻微增加。随着冲击器的进一步加载，所有曲线依次呈线性状态，直到初始峰值载荷。一旦开始任何初始伤害，相应的内部伤害就可以持续传播。因此，每个层板的刚度减小，直到刚度等于零，即满足最大阻力载荷Fmax，然后是最大挠度位移。另外，从图16可以看出指数螺旋层合板的峰值载荷(5.97kN)高于准各项同性层合板的峰值载荷(5.29kN)，这是由于随着每层中纤维角度的逐渐变化，连续的基体开裂会发生重定向，导致旋转角度较大的层板产生更长的裂纹路径。因此，可以有效地防止损伤通过厚度的灾难性传播。
从图17中可以看出，冲击器的动能逐渐减小到最小值0再慢慢上升到一定能量。这可分为两阶段：冲击阶段和回弹阶段。在低速撞击事件中，层板无法被冲头穿透这就导致了反弹过程。在冲击阶段，复合材料层合板的变形逐渐增大，基体开裂、纤维断裂和分层等损伤也随着冲头侵彻深度增加而扩展。冲头动能也逐渐被损伤耗散和存储在层合板的弹性形变中。当动能降低至0时，层合板的形变达到最大。在回弹阶段，同时也意味着冲击动能完全转化为弹性势能，层板吸收的能量最多。冲击器的动能逐渐增加到恒定值。可以从图17可以看出，冲头动能在回弹阶段达到的恒定值不一致，这主要是因为两板的损伤不一致。图17中准各项同性层合板冲击回弹阶段的动能恒定值较指数螺旋层板冲击回弹阶段的动能恒定值低，这也说明了指数螺旋层合板的损伤较各向同性层合板更小，指数螺旋层合板的抗低速冲击能力更好。
本实施例1中提出的一种抗冲击结构，通过设计其铺层角度，使得其在冲击过程中的损伤机制和损伤扩展发生改变从而影响复合材料层合板结构的韧性和强度，该方法简单、且该结构加工方便以及可设计性强，并且能够在传统准各项同性层合板上大大提升抗冲击性能；在不同场合、不同力学性能要求下，本发明能够通过不同参数调节来适应。
本发明有益效果如下：
(1)采用层合板结构，在没有质量成本下获得较大的抗冲击性能提升，在冲击载荷作用下与传统层合板结构相比具有更为复杂的失效模式，主要表现在随着每一层纤维角度的不断变化，防止了基体的连续开裂，裂纹在每一层重定向，裂纹路径更加曲折，耗能更大。通过裂纹的面内扩展和裂纹重定向，防止了损伤通过试样厚度的突变扩展，从而提高层合板结构的抗冲击性能，从实验结果来看，本发明提供的非线性螺旋铺层层合板结构的最大冲击载荷和吸能效率有较大的提升，本发明提供的非线性螺旋铺层层合板结构的最大冲击载荷相较于传统层合板结构可提高19.6％，从而极大地降低安全隐患；
(2)生产加工方便、结构简单，其中非线性螺旋铺设角具有良好的可设计性，目的是诱导裂纹的面内扩展和裂纹重定向；
(3)本发明提供了一种失效准测以及一种损伤演化准则，所建立的有限元模型能够准确捕捉冲击载荷作用下层合板结构的失效模式和载荷响应；
(4)本发明提供了一套完整系统的抗冲击层合板结构螺旋角设计方案，可操纵性强，为复合材料抗冲击结构的设计提供了重要支撑。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种抗冲击结构，为多块单层板层叠粘合形成的层合板结构，其特征在于，所述单层板包括基体和按同一方向排列于所述基体上的纤维，该层合板内的纤维由上至下方向呈螺旋状设置，相邻的所述单层板之间通过粘接界面粘合，所述粘接界面由下述步骤制成：
步骤一、将纤维布按预设的铺设角进行铺层，每铺上一层涂一层树脂与固化剂的混合物；
步骤二、对上、下模具板涂抹脱模剂，待脱模剂干了后将铺设好的纤维布放置于模具之间；
步骤三、对模具中的纤维布进行热压固化；
步骤四、开模；
该抗冲击结构采用如下方法设计：
步骤一、建立层合板结构有限元模型；
步骤二、赋予有限元模型材料属性；
步骤三、对层合板结构进行网格划分，并采用公式(1)进行沙漏控制：
其中，M为总体质量矩阵，C为整体阻尼矩阵，K为整体刚度矩阵，Q(t)为总体荷载矢量；x(t)为位移矩阵；
步骤四、设置边界条件；
步骤五、构建复合材料渐进损伤模型描述材料失效，具体包括如下步骤：
根据线弹性本构关系，线弹性变形阶段表示为：
其中，tn为法向牵引应力，ts和tt为两个切向应力；Kn为法向界面刚度系数，Ks和Kt为两个切向界面刚度系数；δn为法向位移，δs和δt为两个切向位移；D为界面损伤变量；为三个当前牵引应力；
随着界面牵引应力的增加，界面将产生初始损伤，采用二次名义应力描述界面初始损伤：
其中，为法向界面强度，和为两个切向界面强度；
在满足界面初始损伤准则后，粘接界面开始产生脱胶或分层，界面的损伤演化模型采用线性损伤演化准则或非线性损伤演化准则进行表示：
线性损伤演化准则：
其中，为界面损伤过程中最大损伤位移，为界面初始损伤位移，为界面完全损伤位移；
非线性损伤演化准则：
其中，dδ为位移的微分，Teff为有效牵引应力，Gc为界面总断裂能，G0为界面弹性能；
采用基于混合模式断裂能的BK准则来定义界面损伤行为，即需要达到一定能量后界面才能完全脱胶分层，其表达式如下：
式中，G为断裂能，GC为临界断裂能；GS＝Gs+Gt，GT＝Gn+Gs+Gt；η为粘性参数；Gn、Gs、Gt为应力在对应位移下的法向和两个切向所作的功；
综合考虑纤维拉伸破坏、纤维压缩破坏、基体拉伸破坏、基体压缩破坏和面内剪切破坏，采用刚度退化方法建立了基于二维框架的正交各向异性复合材料层内损伤模型，采用最大应力损伤起始准则来预测每次破坏的发生，其表达式如下：
纤维拉伸断裂
纤维压缩屈曲和扭结
基体拉伸开裂
基体压缩破碎
面内剪切破坏
其中，和为有效应力张量；FT、FC、MT、MC和S分别为纤维拉伸强度、纤维压缩强度、基体拉伸强度、基体压缩强度和剪切强度；Fij(ij＝ft,fc,mt,mc)分别为纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸、基体压缩、面内剪切的损伤指数，用于评估损伤起始准则，表达式如下：
其中，根据真实应力σ和损伤变量进行计算，损伤变量df、dm、ds分别代表纤维、基体和剪切损伤的内部损伤变量，取值在0-1之间，值为0时表示材料未产生损伤，为1时表示材料完全损坏；
当满足Hashin失效准则的任意损伤判据后，材料开始产生失效进入损伤演化阶段，其性能参数开始按照一定的法则折减，基于刚度线性下降法建立复合材料刚度折减模型，表达式如下所示：
σ＝Cdε (14)
其中，Cd为退化的刚度矩阵；ε为应变；D＝1-(1-df)(1-dm)v12v21；E1为纤维方向的杨氏模量；E2为垂直于纤维方向的杨氏模量；G为剪切模量；v12、v21为泊松比；
步骤六、采用显式有限元算法计算得到仿真结果，并采用以下沙漏控制方法减少误差，具体包括如下步骤：
取初始时刻质点坐标为Xj(j＝1,2,3)，其中，在任意t时刻，该质点的位移xi(i＝1,2,3)可表示为：
xi＝xi(Xj,t) (16)
考虑阻尼效应得到矩阵表示的运动方程，可表示为：
Fre＝Fex-Fin (18)
其中，M为总体质量矩阵，C为整体阻尼矩阵，x(t)为位移矩阵，K为整体刚度矩阵，代表外力，代表内力，代表残余力；
利用运动微分方程的修改形式求得加速度，利用中心差分求解节点速度，由下式表达：
再利用节点速度求得结点位移，由下式表达：
分别输出层合板结构冲击过程中的初始峰值载荷、冲头的总动能以及总内能随时间的变化；
步骤七、失效模式及吸能特性比较；
步骤八、完成最终设计，设计相邻两层纤维的夹角，且夹角的角度在0-180°之间。
2.根据权利要求1所述的一种抗冲击结构，其特征在于，该层合板由5-30层单向板粘合而成。
3.根据权利要求1所述的一种抗冲击结构，其特征在于，相邻的所述单层板内的纤维的夹角呈线性变化。
4.根据权利要求1所述的一种抗冲击结构，其特征在于，相邻的所述单层板内的纤维的夹角呈非线性变化。
5.根据权利要求1所述的一种抗冲击结构，其特征在于：对层合板结构采用2mm-10mm的网格进行划分。
6.根据权利要求1所述的一种抗冲击结构，其特征在于：在公式(4)和(5)中，当和D＝0时为界面没有产生损伤；和0＜D＜1时为界面部分损伤；和D＝1时为界面完全损伤。
7.根据权利要求1所述的一种抗冲击结构，其特征在于：夹角的设计分为线性设计与非线性设计，其中线性设计为夹角线性增加及其增加幅度的设计；非线性设计为夹角按照一定非线性规律选取。
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