刚性球与复合材料碰撞：强度与耐损性探究

1、背景

本项目为采用LSDYNA软件模拟钢性球撞击5层复合材料靶板的模拟。复合材料近几年研究非常热，不论从国家层面还是高校等，均大力研究新材料；复合材料仿真分析，尤其是复合材料失效分析，是lsdyna的优势功能。本文详细讲解了复合材料材料角度、铺层及失效的详细控制方法。

2，几何模型

首先利用workbench的DM建立钢球及复合材料的几何模型，然后使用SPDL进行前处理，划分壳网格，并设置复合材料的层数及厚度，模型如下图所示。

3，复合材料层数、厚度及角度

复合材料层数、厚度、角度等是复合材料的重点，共5层，每层厚度均为0.1cm，角度分别为0、45、-45、0、45度，可以通过如下关键字修改：

*SECTION_SHELL

        1         2    0.8333       5.0       0.0      -5.0         1

0.100     0.100     0.100     0.100      0.10    

 0.00      45.0     -45.0      0.00      45.0    

*INTEGRATION_SHELL

        5         5         1

4，复合材料本构及失效

采用22号MAT_COMPOSITE_DAMAGE复合材料本构。具体参数及失效如下：

*MAT_COMPOSITE_DAMAGE

$AOPT局部坐标系，macf材料轴是否改变，a1如果aopt=2的坐标系方向，

$#     mid        ro        ea        eb        ec      prba      prca      prcb

1,1.60,1.32,0.073,0.073,0.03,0.03,0.31

$#     gab       gbc       gca     kfail      aopt      macf    atrack      

0.056,0.056,0.056,0.0,2.0,1,0

$#      xp        yp        zp        a1        a2        a3  

0,0,0,1,0,0

$#      v1        v2        v3        d1        d2        d3      beta    

0,0,0,0,0,0,0

$#      sc        xt        yt        yc      alph        sn       syz       szx

7.9E-4,4.9E-2,4.8E-4,2E-3,0,0,0,0    

*mat_add_erosion

1

$最大主应变和剪切应变失效

0,0,0,0.3,0.9

球为刚体rigid。

*MAT_RIGID

        2  7.80      2.10      0.300000       0.0       0.0       0.0

 1.00      4.00      7.00    

$

5，有限元网格

均采用lagrange算法。网格如下：

6，接触建立

球与复合材料间定义侵蚀接触。

*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE

        1         2         3         3         0         0         0         0

0.000     0.000     0.000     0.000     0.000             0 0.000    0.1000E+08

1.000     1.000     0.000     0.000     1.000     1.000     1.000     1.000    

        0         1         0

7，边界及载荷

复合材料四周固定，球施加初始速度200m/s。

*INITIAL_VELOCITY

        2         0         0

0.000     0.000    -.2000E-01 0.000     0.000     0.000

8，求解设置

计算时间,50us，时间步因采用0.9

*CON*T*ROL_TIMESTEP

   0.0000    0.9000         0  0.00      0.00    

*CON*TROL_TERMINATION

 50.0             0   0.00000   0.00000   0.00000

9，求解

6核cpu求解时间1MIN。

10，结果分析

通过计算，复合材料失效如下图所示：

通过本文研究，明确了复合材料建模、侵蚀仿真等的方法及技巧，可供复合材料行业提供参考。

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