一种复合材料结构爆炸冲击作用下的数值模拟方法

本发明属于冲击动力学，尤其涉及一种复合材料结构爆炸冲击作用下的数值模拟方法。

背景技术：

1、纤维增强复合材料具有低磁性、高比刚度、极佳的耐腐蚀性等优点，而泡沫材料具有超轻质、吸能效率高等优点。两者结合而成的典型复合材料夹芯结构，以其优越的性能，越来越广泛地应用于舰船防护与扫雷探测等领域。复合材料舰船执行作战任务时，不可避免会受到水雷、鱼雷等的攻击威胁，由此产生的爆炸冲击载荷可导致结构毁伤等，使舰船总体失去战斗力。因此，研究复合材料结构在爆炸冲击作用下的损伤特性，对于提升复合材料舰船抗爆抗冲击性能具有重要意义。

2、传统爆炸冲击试验是利用药包在开阔水域中模拟弹药轰爆，实验要求严格、实验费用高昂、危险性大，难以广泛应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种复合材料结构爆炸冲击作用下的数值模拟方法。

2、本发明是这样实现的，本发明提供了一种复合材料结构爆炸冲击作用下的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、根据复合材料层内损伤的连续介质力学模型构建vumat用户材料子程序，主要包括损伤起始判定准则和损伤演化两部分，具体为：确定复合材料单层板本构关系，根据本构关系建立复合材料层合板初始破坏准则，并建立材料失效退化模型；

4、根据拉伸分离准则的内聚力模型建立复合材料结构有限元模型，建立水域网格及爆炸边界条件，根据声-固耦合算法以及显式时间积分方法求解，同时基于所述vumat用户材料子程序获得模拟结果。

5、进一步地，所述复合材料层合板初始破坏准则采用hashin失效准则，对复合材料的强度失效进行判定；基于应变形式hashin失效准则的表达式如下：

6、纤维拉伸失效模式ε11≥0：

7、

8、其中为纤维拉伸初始失效应变，xt为纵向拉伸强度，e1为纤维弹性模量，为纤维拉伸失效判断因子，为纤维方向拉伸应变；

9、纤维压缩失效模式ε11≤0：

10、

11、其中为纤维压缩初始失效应变，xc为纵向压缩强度，为纤维压缩失效判断因子，为纤维方向压缩应变；

12、基体拉伸失效模式ε22≥0：

13、

14、其中yt为横向拉伸强度，e2为基体弹性模量，为基体拉伸失效判断因子，ε22为基体方向应变，ε33为厚度方向应变，为单元在基体方向拉伸状态下的损伤起始应变，为初始剪切失效应变，和表示面外剪切强度，zc表示厚度方向的强度，εij为ij面内应变。

15、基体压缩失效模式ε22≤0

16、

17、进一步地，所述材料失效退化模型所定义的纤维拉伸损伤、纤维压缩损伤、基体拉伸损伤、基体压缩损伤的损伤状态变量分别为：

18、

19、式中：为损伤状态变量，i＝1、2，其中1代表纤维、2代表基体，t代表拉伸损伤、c代表压缩损伤；为单元在i方向拉伸或压缩状态下的损伤起始应变，i＝1、2，其中1代表纤维方向、2代表基体方向；为单元在i方向拉伸或压缩状态下的失效应变，εii为i方向应变；

20、

21、

22、其中xt(c)表示纤维方向拉伸或压缩强度，yt(c)表示基体方向拉伸或压缩强度；l表示单元的特征长度，对于三维实体单元来说，l为单元体积的三次方根；通过输入纤维拉伸应变能纤维压缩应变能基体拉伸应变能基体压缩应变能假定在损伤演化过程中线性软化模型，可以对上述方程中的纤维拉伸损伤、纤维压缩损伤、基体拉伸损伤、基体压缩损伤进行评估。

23、进一步地，所述拉伸分离准则的内聚力模型采用基于单元的粘性行为。

24、有益效果：

25、本发明提出的复合材料结构爆炸冲击作用下的数值模拟方法，与传统爆炸冲击实验相比，具有易重复性、成本更低，可以准确预测复合材料结构在爆炸冲击作用下的力学性能及损伤特性。

技术特征：

1.一种复合材料结构爆炸冲击作用下的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的复合材料结构水下爆炸冲击作用下的数值模拟方法，其特征在于，所述复合材料层合板初始破坏准则采用hashin失效准则，对复合材料的强度失效进行判定；基于应变形式hashin失效准则的表达式如下：

3.根据权利要求2所述的复合材料结构爆炸冲击作用下的数值模拟方法，其特征在于，所述材料失效退化模型所定义的纤维拉伸损伤、纤维压缩损伤、基体拉伸损伤、基体压缩损伤的损伤状态变量分别为：

4.根据权利要求1所述的复合材料结构爆炸冲击作用下的数值模拟方法，其特征在于，所述拉伸分离准则的内聚力模型采用基于单元的粘性行为。

技术总结本发明提供了一种复合材料结构爆炸冲击作用下的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：根据复合材料层内损伤的连续介质力学模型构建有限元软件Abaqus用户材料子程序VUMAT；根据拉伸分离准则的内聚力模型建立复合材料结构有限元模型，建立水域网格及爆炸边界条件，根据声‑固耦合算法以及显式时间积分方法求解，同时基于所述VUMAT用户材料子程序获得模拟结果。本发明提出的基于Abaqus的复合材料结构爆炸冲击作用下的数值模拟方法，与传统爆炸冲击实验相比，具有易重复性、成本更低，可以准确预测复合材料结构在爆炸冲击作用下的力学性能及损伤特性。技术研发人员：李营,董弋锋,张晓龙受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11