破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟

杨娜娜 赵天佑 陈志鹏 武国勋 姚熊亮

杨娜娜, 赵天佑, 陈志鹏, 武国勋, 姚熊亮. 破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟[J]. 爆炸与冲击, 2020, 40(2): 023302. doi: 10.11883/bzycj-2019-0019
引用本文: 杨娜娜, 赵天佑, 陈志鹏, 武国勋, 姚熊亮. 破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟[J]. 爆炸与冲击, 2020, 40(2): 023302. doi: 10.11883/bzycj-2019-0019
YANG Nana, ZHAO Tianyou, CHEN Zhipeng, WU Guoxun, YAO Xiongliang. Peridynamic simulation of damage of ship composite structure under fragments impact[J]. Explosion And Shock Waves, 2020, 40(2): 023302. doi: 10.11883/bzycj-2019-0019
Citation: YANG Nana, ZHAO Tianyou, CHEN Zhipeng, WU Guoxun, YAO Xiongliang. Peridynamic simulation of damage of ship composite structure under fragments impact[J]. Explosion And Shock Waves, 2020, 40(2): 023302. doi: 10.11883/bzycj-2019-0019

破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟

doi: 10.11883/bzycj-2019-0019
基金项目: 国家自然科学基金(51879048,51809054)
详细信息
    作者简介:

    杨娜娜(1980- ),女,博士,副教授,博士生导师,yangnana@hrbeu.edu.cn

    通讯作者:

    陈志鹏(1994- ),男,博士研究生,chenzhipeng2012@163.com

  • 中图分类号: O383; O341; O342

Peridynamic simulation of damage of ship composite structure under fragments impact

  • 摘要: 基于近场动力学方法,综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示:高速破片冲击作用下,层合板会发生侵彻和穿透现象,层合板的损伤模式以基体损伤为主,且随着破片冲击速度的增大,板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势;高速破片冲击作用下,层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关,对于纤维铺层方向相同的层合板,其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同;加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能,且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。
  • 图  1  变形前后物质点间对点力函数

    Figure  1.  Pairwise response function before and after deformation

    图  2  单层板的纤维键与基体键示意图

    Figure  2.  PD bonds of fiber and matrix in a lamina

    图  3  键力f随伸长率s的变化

    Figure  3.  Relationship of elongation swith bond force f

    图  4  破片及板几何形状示意图

    Figure  4.  The geometric dimensions of the fragment and the plate

    图  5  速度不同的破片对应的层合板的上表面基体损伤情况图

    Figure  5.  Damage of the upper surface of the laminate corresponding to the fragments with different velocities

    图  6  速度不同的破片对应的层合板的下表面基体损伤情况图

    Figure  6.  Damage of the lower surface of the laminate corresponding to the fragments with different velocities

    图  7  破片的速度衰减

    Figure  7.  Attenuation of fragments’ velocity

    图  8  层合板能量耗散示意图

    Figure  8.  Energy dissipation of laminates

    图  9  不同铺层的层合板的上表面基体损伤

    Figure  9.  Damage of the upper surface of laminates with different laminates

    图  10  不同铺层的层合板的下表面基体损伤

    Figure  10.  Damage of the lower surface of laminates with different laminates

    图  11  不同铺层层合板对应的破片速度衰减示意图

    Figure  11.  Velocity attenuation of fragments with differentlayup configuration

    图  12  加筋版侧视图

    Figure  12.  Side view of stiffened plate

    图  13  不同筋条尺寸的加筋板的上表面基体损伤图

    Figure  13.  Damage of the upper surface of stiffened laminates with different stiffener sizes

    图  14  不同筋条尺寸的加筋板下表面基体损伤模式

    Figure  14.  Damage of the lower surface of stiffenedlaminateswith different stiffener sizes

    图  15  不同筋条尺寸的加筋板的基体损伤侧视图

    Figure  15.  Side view of matrix damage of stiffened laminates with different stiffener sizes

    图  16  不同加筋板的破片速度衰减

    Figure  16.  Velocity attenuation of fragments with different stiffeners

    图  17  破片冲击位置分布图

    Figure  17.  Different impact positions of fragments

    图  18  破片冲击位置不同时的加筋板的上表面基体损伤情况图

    Figure  18.  Damage of the upper surface of the stiffened laminates with different impact positions

    图  19  破片冲击位置不同时的加筋板的下表面基体损伤情况图

    Figure  19.  Damage of the lower surface of the stiffened laminates with different impact positions

    表  1  CCF300/10128H材料属性

    Table  1.   Thematerial properties of CCF300/10128H

    E1/GPaE2/GPaE3/GPaν12ν13ν23G12/GPaG13/GPaG23/GPa
    1257.67.60.340.340.464.324.323.23
    Xt/MPaXc/MPaYt/MPaYc/MPaS12S23ρ/(kg∙m−3)
    2 2001 1005020060601 678
     注:E3为沿复合材料层合板堆叠方向的弹性模量,ν12ν12ν12分别为对应E1E2E3方向上的泊松比,G12G13G23为对应E1E2E3,方向上的剪切模量,S12S23分别为面内和层间的剪切强度,ρ为复合材料板密度。
    下载: 导出CSV

    表  2  初始速度不同的破片剩余速度大小

    Table  2.   Residual velocities of fragments with different initial velocities

    编号初始速度/(km∙s−1)剩余速度/(km∙s−1)损失速度/(km∙s−1)耗散能量/J
    10.50.3360.164 673.1
    21.00.7240.2761 906.8
    31.51.0980.4024 040.1
    42.01.4650.5357 144.9
    下载: 导出CSV

    表  3  不同铺层的层合板对应的破片的剩余速度

    Table  3.   Residual velocity of fragments with different layup configuration

    铺层[0]20[45]20[−45]20[90]20[45/0/−45/0/90]2S[90/0/45/0/−45]2S[0/45/0/−45/90]2S
    剩余速度/(m∙s−1)574.69578.06577.93574.76573.01573.69573.84
    下载: 导出CSV
  • 王晓强, 虢忠仁, 宫平, 等. 抗弹复合材料在舰船防护上的应用研究 [J]. 工程塑料应用, 2014, 42(11): 143–146. DOI: 10.3969/j.issn.1001-3539.2014.11.69.

    WANG X Q, GUO Z R, GONG P, et al. Application research of bulletproof composites in warship protection [J]. Engineering Plastics Application, 2014, 42(11): 143–146. DOI: 10.3969/j.issn.1001-3539.2014.11.69.
    杨光松. 损伤力学与复合材料损伤[M]. 北京: 国防工业出版社, 1995.
    DOLBOW J, BELYTSCHKO T. Numerical integration of the Galerkin weak form in meshfree methods [J]. Computational Mechanics, 1999, 23(3): 219–230. DOI: 10.1007/s004660050403.
    SILLING S A. Reformulation of elasticity theory for discontinuities and long-range forces [J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2000, 48(1): 175–209. DOI: 10.1016/S0022-5096(99)00029-0.
    SILLING SA, ASKARI E. A meshfree method based on the peridynamic model of solid mechanics [J]. Computers and Structures, 2005, 83(17): 1526–1535. DOI: 10.1016/j.compstruc.2004.11.026.
    胡祎乐, 余音, 汪海. 基于近场动力学的复合材料层压板建模和渐进损伤分析 [C] // 全国复合材料学术会议, 2012.
    万铖, 金平, 谭晓明, 等. 基于ABAQUS的复合材料低速冲击损伤分析 [J]. 装备环境工程, 2014, 11(5): 38–42. DOI: 10.7643/issn.1672-9242.2014.05.008.

    WAN C, JIN P, TAN XM, et al. Analysis for the damage of composites under low-velocity impact based on ABAQUS [J]. Equipment Environmental Engineering, 2014, 11(5): 38–42. DOI: 10.7643/issn.1672-9242.2014.05.008.
  • 加载中
图(19) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  5047
  • HTML全文浏览量:  1743
  • PDF下载量:  128
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-08
  • 修回日期:  2019-06-10
  • 刊出日期:  2020-02-01

目录

    /

    返回文章
    返回