金属-复合材料结构抗冲击性能及仿真方法研究

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FML(Fiber-Metal-Laminate)具有质量轻、耐腐蚀、较好的抗疲劳特性和损伤容限等特点,被广泛应用到航空航天结构上。本文采用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元软件对FML结构中复合材料层合板的建模方法、关键有限元参数对复合材料层合板冲击仿真结果的影响、FML结构的抗冲击性能及其包容性进行了有限元分析。具体内容包括:(1)对复合材料层合板不同层间建模方法进行理论分析,采用不同层间建模方法、整体建模法和不同比例建模法对圆柱形弹体冲击复合材料层合板试验进行仿真,结果表明三种建模方法都是可取的,但是在计算条件允许的情况下,应尽量采用分层1:1比例建模。(2)研究了关键有限元参数(网格密度、粘性阻尼系数、沙漏控制类型、沙漏系数、摩擦参数、惩罚刚度缩放系数)对复合材料层合板受弹体冲击数值仿真结果的影响。研究结果表明:网格密度、惩罚刚度缩放、沙漏控制类型、沙漏系数对仿真结果影响很大;动摩擦系数、粘性阻尼系数对仿真结果影响较小。(3)对金属平板、复合材料层合板和FML平板结构的抗冲击性能行进了对比分析。对冲击过程中弹体撞击速度、金属与复合材料体积比与质量比和金属与复合材料的混合程度对FML平板抗冲击性能的影响进行了仿真分析,得到了变化规律。(4)建立了环形机匣有限元模型,对金属、复合材料层合板和FML三种环形结构的损伤过程及包容特性进行对比分析,得到了三种结构的损伤特点及包容特性。
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