复合材料冲击后压缩(CAI)计算报告

1、上海量维复合材料冲击后压缩（CAI）计算报告1 内容和范围此报告用于总结BASTRI的CAI算例，内容涉及问题描述、解决方案和计算结果。2 问题描述此次试算关注于X850体系的CAI特性，模拟此材料体系特定结构形式下的冲击损伤过程以及结构剩余强度，具体包含以下两个算例：1 标准CAI模拟，工况参照ASTM D7136、ASTM D7137，半球形冲头直径16mm，质量5.5kg，能量35J；铺层45/-45/0/903s，单向带厚度0.191mm；试验件尺寸150mm×100mm。2 T形桁条CAI模拟，工况参照ASTM D7136，半球形冲头直径16mm，质量5.5kg，能量8J；

2、桁条为L形背靠背，腹板总厚度t为8.786mm（单层为0.191mm），铺层为+45/-45/03/90/0/+45/02/-45/0/+45/90/-45/0/-45/02/+45/0/90/0s，0度铺设沿长桁纵向；凸缘插层铺层为+45/-45/0/0，4层共0.764mm；试验件长度200mm，封灌端厚度50mm，有效试验段100mm，腹板高度h为45mm，L型结构转角半径为R=5mm，凸缘宽度为B=70mm，几何尺寸参见下图。图 1 T形桁条几何3 求解方案为了提高计算精度，参照积木法的技术方法，逐级验证、传递有限元求解参数，按照以下技术路线实施：1 材料建模：建立X850体系的多尺度

3、材料模型，最终的材料模型具有与测试数据近似的应力应变特性（刚度退化特性）2 模型参数有效性验证：结合商用有限元求解器（此处为Abaqus VUMAT），调用多尺度材料模型，比对某些基准测试（此处以算例1-ASTM 7136测试结果作为基准验证，一般还包含对应的ASTM其他标准测试结果-OHC、OHT等），最终确定的有限元求解参数，用于最终的有限元模型计算3 最终模拟：根据有效性验证的有限元参数，对最终结构进行损伤容限模拟（此处为T形桁条）4 有限元模型参数及计算结果4.1 复合材料多尺度材料模型（X850）根据材料性能和测试曲线，建立材料的多尺度材料模型，此材料模型包含损伤、失效判据、组分性能

4、、应变极限等，下图黑色曲线为测试曲线，此外如为模拟高速冲击，须计入应变率效应（本算例速度较低，不计入）：图 2多尺度材料模型最终材料模型参数如下：表格 1多尺度材料模型-测试结果对比CF/CYCOM X850 (Tape): FVR=54.74%; VVR=0.156%说明MaterialX850l 所有参数为“修正”后的有效值，经过VUMAT程序后台运行后，应力应变特性与图 2中所示近似l VUMAT中当前无法计入D11C的刚度退化，故折减S11C降低17%l 剪切大应变下为高度非线性，此处强度为复合材料非线性情况下强度，较准确再现实际测试结果PropertyUnitsTestMCQ% Er

5、rorE11GPa170170.010.00E22GPa8.118.110.01E33GPa-8.11-G12GPa4.144.140.00G13GPa-2.13-G23GPa-4.14-v12-0.3190.320.00v13-0.58-v23-0.32-S11TMPa29923021.911.00S11CMPa1183974.05-17.66S22TMPa70.667.79-3.98S22CMPa278272.49-1.98S33TMPa- -S33CMPa- -S12S MPa74.173.55-0.74S13SMPa- -S23SMPa- -根据

6、以上建立的复合材料多尺度材料模型参数，生成VUMAT参数，具体包括组分（纤维、基体）模量&强度，纤维体积比、孔隙率、树脂“等效”应力应变曲线等，修改INP文件中单向带材料为*User Material，constants数量随参数变化而变。图 3 VUMAT参数4.2 胶层材料参数胶层材料采用ABAQUS再带Traction-Separation 模型（详见ABAQUS文档），胶层（树脂）断裂性能参数缺乏。对*Damage Initiation下强度、*Damage Evolution下断裂能释放率、弹性模量等进行修正，胶层参数的设置直接影响复合材料铺层（X850）损伤的大小和样式（冲

7、击能量耗散）。图 4 胶层材料参数4.3 单元选择和属性参数两算例复合材料均使用Explict Continuum Shell（SC8R），单元包含铺层根据铺层分配确定，每层Ply取一个积分点，由于使用自定义材料，Section Poisons ratio、Thickness Modulus、Transverse Shear Modulus（MCQ计算获得）等参数需手动输入（参考ABAQUS文档），以上参数用于描述Thick Shell的面外力学行为，可根据计算结果进行适当修正，在此算例中对最终结果影响较小。胶层使用Explict Cohesive（COH3D8），Element deleti

8、on=yes，Max degredation=0.8。图 5 单元以及铺层4.4 冲击模拟提交计算设置重启动计算参数（Intervals、Overlay等），生成相应文件（xxx.pac、xxx.prt、xxx.abq、xxx.res、xxx.stt，参考abaqus帮助文档）供第二步重启动计算使用，命令行提交替换自定义材料后的xxx.inp文件计算图 6重启动参数以及提交计算4.5 冲击后压缩导入第一步计算的结果和FEM模型的应力状态（update=yes，state=yes），使用*Import导入上一步计算的部分网格（去除冲头），同时导入冲击模拟有限元中预先设置的单元集（Elset）、节点集（Nset），例如CAI中的固支端、加载端节点集须在第一步计算文件中预先设置设置，此步导入并设置相应的边界条件和加载条件（0.1mm/s），进行冲击后压缩计算，为加快计算，可设置适当的质量缩放。图 7冲击后压缩参数将第一步冲击计算文件和结果与冲击后压缩计算文件（CAI.inp）置于同一文件下，命令行提交计算。图 8冲击后压缩提交计算4.6 CAI-标准测试平板冲击损伤范围：图 9冲击损伤区域（35J）图 10导入GENOA后处理结果冲击后压缩结果见下图，最大载荷136KN（302Mpa，测试260Mpa，+