复合材料加筋板高速冲击的损伤研究

姜封国 裴廷瑞 姜旭宏 于正 岳攀

复合材料加筋板高速冲击的损伤研究

姜封国1裴廷瑞1姜旭宏2于正1岳攀1

（1 黑龙江科技大学建筑工程学院，哈尔滨 150027；2 黑龙江科技大学管理学院，哈尔滨 150027）

针对航天器保护材料遭受碎石冲击的问题，提出采用对复合板进行加筋处理的方式提高复合材料层合板抗弹体高速冲击能力的方法。该方法利用ABAQUS建立有限元模型，对加筋板底层层合板内部引用cohesive模拟出层间分层，将弹体设置为离散型刚体。模拟弹体对加筋板的垂直高速冲击。通过分析弹体冲出板体的剩余速度研究复合材料加筋板的防弹效果。结果发现当弹体冲击点位于加筋条上时能很好地降低弹体的冲击速度。并发现较小的筋条间距、较大的筋条厚度可以有效增加复合材料加筋板的抗冲击能力，而筋条间隔不同对复合材料加筋板的抗冲击能力的影响可以忽略不计，本文为后续航天器抗弹体高速冲击能力研究提供了支撑。

复合材料加筋板；损伤特性；高速冲击；有限元

0 引言

复合材料加筋板是土木工程中常见的结构形式，遇到高速冲击时，相比较于普通板，加筋板有良好的抗冲击性能[1-3]，此性能在航空航天以及军事领域有较好的应用前景，如航天器在太空中高速飞行时，太空中的很多碎石一旦与航天器发生撞击后果不堪设想，现阶段航天器保护材料大多采用铝合金和镁合金，为了在提高刚度的同时减轻重量，已开始出现采用高模量石墨纤维增强的新型复合材料作为保护材料。未来的发展方向为在舱壁外间隔一定距离安装一层或多层薄板防护屏，但这种方式需要发射额外的设备升空，这会导致成本的升高，所以在节约成本的前提下，如何通过改变现有结构来增强飞行器的抗弹体高速冲击能力就显得至关重要。本文采用类似于混凝土加筋板的形式，将筋条添加在新型复合材料板上，研究加筋复合板对高速弹体的阻挡效果。

本文将借助有限元软件ABAQUS，建立复合材料加筋板高速冲击损伤有限元模型，划分计算单元，建立边界条件。以弹体的剩余速度作为指标分析板材的抗冲击性能，综合分析复合材料加筋板受高速冲击损伤特性，并对不同的冲击点位置、筋条厚度和筋条间距对模拟结果的影响进行分析研究。探究筋条对于抵抗弹体冲击是否有效，试求筋条厚度，筋条间距以及撞击点的不同对板材的冲击效果，探求筋条增强板材抗撞击能力的最优模式。

1 复合材料加筋板高速冲击损伤有限元模型

1.1 模型建立

为了能够更为直观的研究损伤情况，本文采用沿着复合材料层合板的厚度方向，根据材料自身的铺层情况逐层划分单元的方法，在层合板内部引用cohesive还能够模拟出层间分层的情况。层板的单元类型采用的是带沙漏控制和缩减积分的八节点四边形面内通用连续壳单元（SC8R）。弹体设置为离散型刚体，弹体质量作用于所设置的参考点上，参考点位于弹体冲头的中心位置。

为了节省单元数量，在对模型划分网格时，采用的是渐进式的网格划分，即越靠近冲击点的位置网格数量越多，从而提高计算求解的效率，最终结果的精度也能有所保证。图1为网格划分情况，其中共有单元 45034个，结点50423个。

图1 网格划分

建立复合材料加筋板高速冲击损伤有限元模型，加筋板的几何参数如图2所示，其图中参数的单位为毫米，复合材料层板和加筋条均为Kevlar/epoxy材料，层板厚5mm，加筋条厚度为1mm，弹体选用半径为4mm的刚性球形弹体，相关材料的具体参数如表1、表2所示。

图2 复合材料加筋板的几何参数

表1 弹体参数

表2 复合材料层合板参数

材料层板和筋条的单元类型采用的是带沙漏控制和缩减积分的八节点四边形面内通用连续壳单元（SC8R），在层板内部的铺层之间引入界面单元（cohesive element）来模拟层间分层和脱粘情况，界面单元选用的是八节点三维粘性单元（COH3D8），界面单元的材料属性与层板的力学性能一致，具体见表3。

表3 界面单元参数

1.2 模拟计算结果与分析

使用1.1节建立的板材模型。数值模拟时，球形弹的初始冲击速度控制在250m/s～650m/s之间，分别对复合材料加筋板的正中心位置和T形筋条上方的中心位置进行正面垂直高速冲击，模拟得到剩余速度结果如图3所示。

图3 不同冲击点剩余速度对比图

从图3中可以看出，加筋板肋条可以有效抵抗弹体的冲击，相比较于直接冲击没有加筋的位置，弹体冲破肋条的剩余速度大约比弹体冲破中心位置少100m/s，但是随着初始速度的增加，这个差值变得越来越小，当弹体初始速度达到650m/s时，剩余速度相差只有50m/s左右，可以得出结论，当弹体低速撞击时，筋条可有效缓解冲击力。

1.3 破坏形式

整个冲击过程的持续时间只有约110μs。过程可分为四个阶段：第一阶段为冲压开孔阶段，迎弹面与球形弹在冲击接触区域发生剪切破坏，使得迎弹面出现凹坑，背弹面变形较小；第二阶段，凹坑开始变深，筋条位置开始凸起变形，但是其变形比层板要小；第三阶段为损伤扩展阶段，在此阶段弹体侵入板材的程度增加，筋条位置的凸起开始变大，纤维发生断裂损伤破坏，弹体基本完成了对层板的穿透，并继续向外扩展，层间剪切作用和冲击所产生的应力波导致了分层损伤；第四个阶段为加筋条脱粘和破坏阶段，弹体穿透层板后直接作用在筋条上，导致筋条与层板间的界面单元发生破坏导致筋条脱粘，脱粘后层板的弹性变形会慢慢复原[4-5]。

图4给出了受弹体高速冲击后复合材料加筋板T形筋条内部的损伤情况，在冲击点周围以基体拉伸破坏为主，拉伸和压缩破坏的区域不大，由于加筋板的边界条件为四边固支，筋条整体受到弹体冲击而发生弯曲形变，筋条内部的纤维主要承担了沿着筋条方向产生的压缩。所以从图中能看出沿着筋条的上方出现纤维压缩破坏[6-16]。图中深色表示没有发生变形的单元，图中浅色表示变形最大的单元，而随着深色逐渐变为浅色则表示单元的变形随之增大。

图4 400m/s球形弹冲击复合材料加筋板损伤（t=110μs）

2 相关参数对冲击结果的影响

2.1 冲击位置

复合材料加筋板在受到弹体的高速冲击时，冲击点具有很强的随机性，因此需分析弹体冲击位置不同时复合材料加筋板的抗弹性能。

为了研究冲击位置对于弹体剩余速度的影响，本节采用1.1节所建立的模型，弹体为直径8mm的球形弹，质量为6.27g，初始速度为400m/s，起点为筋条正上方的中心位置、在垂直筋条方向每隔5毫米设定一个冲击点，共计十个冲击点，模拟弹体对这十个冲击点进行高速垂直冲击的情况。图5给出了弹体冲击后的剩余速度曲线图，由图中结果可知，在球形弹体初始速度相同的情况下，冲击点位于筋条附近时，弹体剩余速度急剧减小，而随着冲击点偏心距逐渐增大时，当偏心距达到20mm左右时，剩余速度曲线逐渐趋于平稳，筋条对冲击结果的影响几乎可以忽略。

根据上述模拟结果可知，弹体初始速度相同的情况下，剩余速度随着冲击点与筋条之间距离增大而减小，所以筋条能有效增加板材的抗冲击性能。因为筋条可以增加板的弯曲刚度，但偏心距增加让这种作用减弱，弯曲变形增大，从而导致板材的抗冲击能力下降。

图5 冲击点位置不同时弹体的剩余速度

2.2 筋条厚度

本小节研究筋条厚度的不同对复合材料加筋板抗弹冲击性能的影响。本节采用模型如1.1节，弹体初始速度设置为500m/s，球形弹的直径为8mm，弹体质量为6.27g，筋条的厚度依次取1mm、2mm、4mm和6mm，弹体的冲击位置设置在筋条位置，根据模拟计算所得的结果展开分析。图6给出了弹体冲击不同厚度筋条后的剩余速度曲线图，观察图中结果可知，弹体初速度相同的情况下，剩余速度会随着筋条厚度的增加而迅速减少，这说明筋条厚度对于提高复合材料加筋板在筋条位置的抗弹性能有显著的影响；而冲击点在加筋板中点的弹体剩余速度却没有明显提高，几乎为一条直线，这说明筋条厚度对于加筋板的影响仅局限于筋条的附近。

图6 筋条厚度不同时弹体的剩余速度

表4 筋条厚度不同时界面单元的破坏面积

表4给出了高速冲击下复合材料加筋板筋条厚度不同时界面单元的破坏面积，可知，随着筋条厚度的增加，内部界面单元的破坏面积有所减小，但破坏面积随着层数的增加逐渐增大，这说明增加筋条的厚度可以有效的减小加筋板内部的受损面积，从而提升筋板的抗弹性能。

2.3 筋条间距

本节研究筋条间距的不同对复合材料加筋板抗弹性能的影响。本节采用模型如1.1节，弹体的冲击位置设置在复合材料加筋板两筋条的中间位置，筋条的间距依次取10mm、20mm、30mm、40mm、50mm和60mm，根据模拟计算所得的结果展开分析。图7给出了弹体冲击不同筋条间距加筋板后的剩余速度曲线图，观察图中结果可知，当筋条间距小于30mm时，弹体的剩余速度会随着筋条间距的增大而增加；而当筋条间距大于30mm时，弹体的剩余速度则基本保持不变，这说明筋条间距对于弹体剩余速度的影响范围并不大。

图7 筋条间距不同时弹体的剩余速度

表5给出了筋条间距不同时加筋板内部界面单元的破坏面积。

表5 筋条间距不同时界面单元的破坏面积

观察表5中结果可知，破坏面积会随着筋条间距的增大而逐渐增大，特别是背弹面，筋条对层板弯曲刚度的提高随筋条之间距离的增加而减小，导致板整体的弯曲变形增大，界面单元的破坏面积也随之增大。另外可以看出，当筋条间距达到40mm时，破坏区域的面积逐渐趋于稳定，筋条间距的改变对加筋板的抗弹性能的影响几乎可以忽略。

3 结论

本文分析弹体正面垂直高速冲击复合材料加筋板后的损伤情况，并对冲击位置以及筋条厚度、筋条间距三项不同情况下的冲击结果进行分析，可以发现：基体拉伸破坏依然是加筋板破坏的主要形式，添加筋条的层合板能有效的抵抗弹体的冲击，但是这种抵抗力随着弹体速度的增加而减小，当弹体初始速度达到650m/s时，剩余速度相差只有50m/s左右；加筋层合板的抗冲击能力与冲击点位置密切相关，随着冲击点与筋条之间距离的逐渐增大抗冲击能力逐渐减弱，当间距达到弹体直径的2倍左右时，剩余速度曲线逐渐趋于平稳，筋条对冲击结果的影响几乎可以忽略；筋条厚度的变化也会引起板材抗冲击能力的变化，筋条厚度越大加筋板的抗弹能力越强，但这种影响只在筋条附近起作用；筋条间距对加筋板的抗弹性能的影响并不明显，当筋条的间距增大到弹体直径的4倍左右时，筋条对于冲击结果的影响基本可以忽略。

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Study on Damage of Composite Stiffened Board under High-Velocity Impact

JIANG Feng-guo1PEI Ting-rui1JIANG Xu-hong2YU Zheng1YUE Pan1

（1 School of Civil Engineering, Heilongjiang University of Science &Technology, Harbin 150027, China；2 School of Management, Heilongjiang University of Science &Technology, Harbin 150027, China）

Aiming at the problem that spacecraft protective material is impacted by gravel. The method of high-speed reinforcement is proposed to improve the impact resistance of composite plates. In this method, the finite element model is established by ABAQUS, the delamination is simulated by using cohesive in the laminated plate at the bottom of the stiffened plate, and the projectile is set as a discrete rigid body. The vertical high-speed impact of projectile on stiffened plate is simulated. By analyzing the residual velocity of the projectile out of the plate, the bulletproof effect of the composite stiffened plate is studied. The results show that when the impact point of the projectile is located on the stiffener, the impact velocity of the projectile can be reduced very well. It is found that smaller rib spacing and larger rib thickness can effectively increase the impact resistance of composite stiffened plates, and the impact of different rib spacing on the impact resistance of composite stiffened plates can be ignored. This paper provides theoretical support for the follow-up study of high-speed impact energy of spacecraft ballistic body.

Composite stiffened board; Damage characteristics; High-speed impact; Finite element

V414.8

A

1006-3919(2021)04-0012-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.04.003

2020-10-13；

2021-02-20

国家自然科学基金面上项目（11872157）；黑龙江省自然科学基金（LC2016019）

姜封国（1977—），男，汉，副教授，博士，研究方向：复合材料力学性能研究；（150027）黑龙江科技大学建筑工程学院.