三维正交机织复合材料在重复低速冲击下的有限元仿真

为了建立碳纤维三维正交机织复合材料(3DOWCs)在重复低速冲击下的有限元仿真，本工作将仿真与实验进行比较，以验证仿真的有效性。通过在自制的3D机织机上制造了3DOWCs板件，并对其进行50 J重复低速冲击试验，获得断裂形貌与力学曲线。使用多步骤方法模拟重复冲击的试验，冲击过程中引入重启动技术与人工阻尼。建立了多尺度的有限元模型，并将增强丝束材料属性与损伤模式集成至ABAQUS/Explicit用户定义材料子程序(VUMAT)中，3DOWCs损伤模型包含基于位移的失效模型与三维Hashin失效准则，以模拟3DOWCs在重复低速冲击载荷的损伤演化。使用对称边界条件，建立了1/4有限元模型，以减少计算成本。与实验结果相比，首次冲击的力学曲线、三次冲击的峰值力、损伤分布的连续性验证了该模型的有效性。

三维正交机织复合材料(3DOWCs)与传统二维(2D)层合复合材料相比， 由于其Z 向的捆绑纱存在， 抑制了分层的发展与裂纹的传播，已广泛运用于民用运动防护装备、军事领域承重部件。出于设计产品与优化的目的，3DOWCs 其结构的动态响应与损伤发展应得到充分研究[1] [2] [3]。因此，3DOWCs 在低速冲击载荷下的力学行为研究变得有意义。近些年，研究者对3DOWCs 在低速冲击载荷下开展了研究[4] [5]。但在生活、制造与日常维护中，结构部件往往承受的冲击是重复或多次的，而不是仅受一次单独的冲击[6]。复合材料受到低能级重复冲击会因损伤累计导致分层、树脂脱粘和纱线断裂等损伤，而受到低能级单一冲击可能不会有损伤[7]。因此，研究复合材料结构在重复冲击下的损伤发展具有重要意义。然而目前复合材料冲击响应与损伤累计研究方法通过实验进行[8] [9] [10]， 但为了更好理解复合材料在重复冲击下的损伤累计与发展，还需数值模拟的帮助[11]。目前研究者对与重复冲击建模仿真主要通过LS Dyna 3D 或Abaqus/explicit 软件进行[12] [13] [14]。

Tian 和Zhou [12]建立了一种新的三维渐进退化有限元模型，并将其编写为LSDyna 用户子程序供GLARE 冲击模拟调用，以研究GLARE 在单次与多次冲击下的损伤机理。在最近Zhou 等人的工作中[13]，将三维Hashin 失效准则、连续损伤模型和基于等效位移的损伤演化模型进行编码载入用户定义的子程序(VUMAT)，基于CZM 双线性牵引分离法的界面单元被用于模拟复合材料层合板的分层。在Reazasefat 等人的工作中[14]，Puck 模型在VUMAT 中得以编码，采用多步骤形式模拟重复冲击。然而，据作者了解，现在对于重复冲击的仿真还仅限于层合板，这项工作将对3DOWCs 开发一种重复低速冲击仿真的方法， 使用多尺度计算方法并在ABAQUS/Explicit 的用户定义材料子程序(VUMAT)进行实现，仿真结果将与实验原始数据进行比对。