基于测试样本的复合材料层合板低速冲击分层阈值力预测方法研究

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分层阈值力的理论模型公式有两种:一种是基于Ⅱ型复合材料层间能量释放率的分层阈值力理论模型,另一种是基于层间剪切强度的分层阈值力理论模型。前一模型中分层阈值力与厚度的3/2次方呈线性关系;后者考虑了冲头尺寸的影响,模型中分层阈值力的平方分别与冲头半径和材料厚度的三次方成正比关系。但直接利用这后者预测薄板冲击分层阈值力的精度不高,因为计算接触半径时没有考虑板挠曲变形的影响,因此只适用于较厚的板,如果板的厚度较小,产生的挠度较大,会对冲头产生“包裹”效应,导致接触区域明显增大,剪切应力降低,,所以需要修正接触半径,改进基于层间剪切强度的分层准则。由接触面的几何关系和板的变形方程推导了两种考虑薄板挠度的接触半径修正方法,以提高分层阈值力的预测精度。利用数值模拟计算考虑薄板挠度后的冲击半径增大比例,验证两种接触半径修正方法,结果表明理论计算结果与有限元模拟结果吻合较好,可以用来修正挠度影响较大时的接触半径,提高分层阈值力的预测精度。利用响应面方法研究了影响冲击接触半径增大的因素:冲击接触力P,等效弹性模量E,板的弯曲刚度D,板的半径b,冲头半径R和层合板的层数。冲头半径和冲击接触力对接触半径增大比例的影响呈现线性变化,其余为非线性变化,弯曲刚度对接触半径增大比例的影响呈负相关,其余为正相关。冲击接触力和板的弯曲刚度对接触半径增大比例的影响最大,然后利用Taylor逼近计算方法拟合方程给出接触半径增大比例关于板的弯曲刚度和冲击接触力的显式函数关系。最后,使用一多墙复合材料盒段结构的冲击试验数据来验证修正的分层阈值力模型,利用修正过的模型,可以得到很高的预测精度。研究了使用多区域数据拟合的预测方法,结果表明其误差相比未修正的模型要小很多,但精度不如修正接触半径的方法针对实测分层阈值力的分散性问题,利用响应面方法推算出了测量数据的误差范围,结果与实际相符,接近且对分层阈值力分散性影响最大的因素为层间剪切强度和板厚度,冲击角度的偏差次之。
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