三维层层正交复合材料冲后压缩有限元仿真

为了了解三维层层正交织物复合材料冲后压缩的损伤起始和发展，本文建立有限元模型并将有限元仿真结果与冲击及压缩实验结果进行对比进而验证所建立模型的有效性。通过对复合材料进行12 J能量低速冲击及冲后压缩实验获取损伤形貌与响应曲线。基于计算效率和损伤细节的考虑，本文建立了介观尺度下的有限元模型，并采用二步法分别模拟两个实验过程。模型包含两个部分：树脂基体和浸渍增强纱线。两部分选用不同的损伤准则模拟其损伤的起始和发展。最后将仿真结果得到的力–时间曲线、载荷–位移、复合材料表明损伤形貌、浸渍增强纱线断裂情况与实验结果进行对比，验证了有限元的模型的可靠性。

随着航天航空、土木工程、新能源等的快速发展，织物增强复合材料因其轻质化、强度高和抗腐蚀等特点逐渐取代传统材料应用在各种工业领域[1] [2] [3]。但是在复合材料部件的安装、维修和服役过程中经常发生类低速冲击事件通常导致材料内部产生分层或树脂开裂，如维修工具的跌落、恶劣天气下飞石的撞击、飞机在起飞、降落以及飞行中受到飞鸟的撞击。这些几乎不可见的冲击损伤(BVID)不仅很难通过肉眼察觉到，而且会导致材料的力学性能大幅度下降[4] [5] [6]。这些部件在遭受低速冲击后继续受到外部的挤压后极易发生安全事故。大约在20 世纪中期，研究人员通过在织物层厚度方向引入捆绑纱， 将织物固定为一个整体。这种方式可减少低速冲击过程中层间分层的产生和大幅增加复合材料的损伤抗性。学者通常对三维复合材料试样进行拉伸、压缩、三点压弯等实验研究材料的力学性能[7] [8]。随着力学研究的深入和仿真建模软件的完善，研究人员通过有限元建模并进行计算分析三维复合材料的损伤行为[9]。Pankow 等[10]使用具有代表性的单元(RUC)对三维编织复合材料(3DWCs)进行动态模拟并有效地观察材料地失效模式，同时发现了失效模式的存在过渡态。在Zhang 等的工作中[11]，建立了一种基于三维正交(3DOWCs)复材的弹、塑性模型，分析了不同应变率条件下复合材料的压缩变形和失效模式。然后，鲜有学者使用有限元仿真模型研究三维层层正交复合材料(3DLOCs)的冲后压缩。本文将建立介观尺度的3DLOCs 有限模型进行数值计算并与实验结果对比验证其可靠性。

2. 试验过程 2.1. 低速冲击试验 根据2012 年版的ASTM-D7136 准则对3DIOCs 复合材料试样进行12 J 能级低速冲击实验。所使用的试样夹具参考上述准则设计，夹具包含四个带橡胶头的夹钳，尺寸为75*50*4 mm 放置复合材料试样的凹槽和尺寸为70*45*5 mm 的镂空区域。落槌实验仪器上配备半径为7 mm 的半球形冲头、光电、压电