基于LS-DYNA的复合材料分层损伤仿真

• 1 引言

     近年来，纤维增强复合材料因具有一系列优点而广泛应用于航空航天、汽车、船舶等各行各业之中。然而作为多相材料，其失效条件及模式往往很难确定。以复合材料层合板为例，这类结构层间性能取决于基体性能，因此层间材料性能很低，仅为纤维方向的几十分之一。在外载荷或其它如冲击、温度等外部因素作用下，往往会由于层间剪应力或层间拉应力超过其强度而引起层间脱粘破坏，即分层。分层是制约这类复合材料进一步广泛应用的主要因素，因此层合复合材料分层问题得到材料和力学界的重视。为探究ANSYS LS-DYNA在复合材料界面分层损伤方面的应用，本文利用LS-PrePost建立了双悬臂梁（Double Cantilever Beam，DCB）模型，以cohesive单元模拟界面，进行了复合材料分层损伤的仿真分析。

• 2 有限元分析

     几何模型如下图所示，通过在上、下两个悬臂梁之间的中面层布置Cohesive内聚力单元，从而对分层扩展进行预测，本模型设置层间单元厚度为0.05；将层合板左端固支（固定全部自由度），在另一自由端施加两个沿厚度方向且方向相反、大小相等的速度位移。为建立预制裂纹，创建有限元模型后将该处单元进行提前删除。

a/mm	h/mm	b/mm	w/mm	v/(mm/ms)
200	10.05	50	15	1

     为方便施加边界条件，首先建立相关的节点集合，包括模型固支端的节点集合，自由端上下表面线段上的节点集合。根据不同模型的不同部位赋予单元不同的材料属性。本文主要用于模拟复合材料的分层现象，因此模型不考虑纤维的铺层方向，即认为该层合板为单向板，其中纤维材料用碳纤维本构关系，对应于LSDYNA中的2号orthotropic-elastic材料；界面层采用cohesive模型，对应于138号cohesive-mixed-mode材料，具体参数如下图所示。

     完成材料赋予之后需要设置整体模型的边界参数，在关键字编辑选项卡中借助之前建立的点集固定右端节点以及对左端节点施加速度载荷，具体设置如下图所示。另外需要注意设置单元的沙漏（一般采用默认即可）。

     完成所有的设置之后导出K文件并利用ANSYS中的LSDYNA求解器进行求解。

• 3 结果讨论

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     上面两图为速度加载端节点的力随时间变化曲线图，可以发现上下节点的力呈现大小相等，方向相反的规律，其中反作用力即为节点力的绝对值，这也从侧面验证了此模型加载的正确性；此外可发现力随时间呈现非线性变化，先增大后减小，最大值出现在界面单元刚开始发生失效时，这与试验值相符，说明本模型的结果较为可靠。

     上图为DCB试验中的典型分层扩展的塑性应变计算结果，可以看出在当前载荷条件下，该复合材料结构发生界面分层破坏，而且随着裂纹的扩展，界面单元（即用于模拟胶层的cohesive单元）发生失效并被逐渐删除，模拟结果与复合材料界面分层现象的实际情况相吻合，明确了典型载荷工况下复合材料I型分层扩展的内在机理，验证了LS-DYNA在这方面的求解能力。