复合材料板中Lamb波传播特性有限元仿真-模拟过程及结果

复合材料板中Lamb波传播特性有限元仿真

1.问题描述

模型的几何描述

碳纤维复合板尺寸：长400mm,宽400mm,厚2mm,16层层合板的铺层顺

序为［（0/45/90/-45）2k（铺层顺序是04590-4504590-45-4590450-4590450,s

表示对称铺，2表示按某个顺序铺两层）

损伤形式为分层，缺陷位于第三层和第四层之间，下端离中心线10mm,右端

离中心线10mm,大小

材料属性

复合板的材料属性见表格lo

表格1复合板的材料属性

P(kg/n?)

E,(GPa)E2(GPa)E3(GPa)G,2(GPa)G13(GPa)G23(GPa)匕2V.3%

1358.88.84.474.473.450.30.30.341560

载荷及采样过程

以玛合板中心为坐标原点，选用左右对称的4个压电片作为传感器/激励器，其标号坐

标分别为P1号（TOO,100）,P2号（100,100）,P3号（TOO,TOO）,P4号（100,TOO）,

单位mmo建模划分网格时选择单元形状取六面体，单元类型采用三维实体8节点线性减缩

积分单元C3D8R。

首先选取一个压电片Pi作为激励器，采用5周期中心频率为200kHz的正弦调制信

号作为激励信号，在复合板结构中激发出以S0模式为主的单模式Lamb波信号。选定除激

励器Pi外的其它传感器Pj（j=b2,3,4；且iWj）采集结构响应信号（fij;,采

样率为5MHz,分析时间增最为0.0如$,分析时长为0.3ms。此时，由4个传感器产生的

独立的结构响应信号分为6组，分别用门2,f13,fl4,f23,f24,f34表示。

2.有限元模型

建模

有限元模型图1所示:

图1有限元模型：（a）整体模型俯视图（b）局部网格划分

载荷和边界条件

采样率为5MHz,分析时间增量为0.02us,分析时长为0.3ms。

有限元积分时间步长设置为0.02US,加载信号采用5周期的经汉宁窗调制的正弦信号,

信号中心频率为200kHz,时域信号和频谱如图2所示。

在abaqus中实际以卜面的时间历程加载:

XVPQOM

边界条件：所有面均自由，

分层缺陷

分层缺陷的建模示意图如图4所示。

；^TTTTTT|

i<—<>—<>—<>—<►—<>—<>—<>—<><►-Z—i—>

Xa)b)

图4无缺陷和有分层缺陷示意图

在abaqus中主要是通过将分层区域的两层释放开(不要施加tie约束)来实现分层缺陷

的建模。

图5分层缺陷在abaqus中的实现

3.试算结果

如果按照要求划分网格，则每层至少要划分100万网格(400mm/0.4mm)2。16层则需

要1600万网格。求解规模过大，所以先将网格划的粗一曲，厚度也由2mm变成了20mm。

试算一下，看看模型是否正确。

模型可以计算，初步认为模型正确。0.3ms时的位移云图和应力云图如下：(在P1处加

载)

位移云图的动画见附件test_thick20_coarse.avio

P1-P4的位移响应如下:

JCrPUJM

P2的位移响应

XVPQOf-1

P3的位移响应

P4的位移响应

4.计算结果

激励P1

厚度4mm,长宽均为400mm,网格25万*16,激励PL重新计算，结果如下:

0.3ms时的位移云图和应力云图如下：

应力云图的动画见附件test-thick4mm-fine.avi。

P1-P4的位移响应如下:

P1的位移响应

P4的位移响应

激励P2

激励P2点，如下图所示，其他设置和前面相同

0.3ms时的mises应力云图如b：

S,Mises

(Avg:75%)

)+2,457€-02

+2,252耻02

+2.048e-02

+1.843e-02

+1.639e-02

+1.434e-02

+1.230e-02

+1.025e-02

+8.204e-03

+6.158e-03

+4.112e-03

+2.067e-03

+2.084e-05

ODB:Job-2-P2.odbAbaqus/Explicit6.14-2WedDec0214:50:51

Step:Step-1

Increment15003:StepTime=3.0000E-04

PrimaryVar:S,Mises

DeformedVar:UDeformdbonScaleFactor:+1.000e+00

XYP1O<-1

Pl的位移响应

XYP10M

P3的位移响应

激励P4

激励P4点，激励位置见下图，其他设置和前面相同:

0.3ms时的mises应力云图

S,Mises

+2.496e-02

♦2,000e・02

+1,834eO2

+l,667，・02

+1.5Ole-O2

+1.334e-02

+1.16Se-02

+1,002602

+8.352*03

+6,68803

+5.O24eO3

+3.360e-03

+L696e・03

+3.162+0$

ODB：k>b-4-P4.odbAbaqus/ExpllD®c0214:56:38GMT4-08:002015

Step:St«p-1

Increment1S003:

PrimaryVar:S