基于VUMAT的复合材料夹层结构冲击响应仿真

1 低速冲击问题

夹层结构具备良好的吸能特性，其冲击特性一直是被重点关注的方向。

本期主要对复合材料夹层结构低速冲击的仿真进行介绍。

我本人做静力问题相对多些，冲击问题以前做过一个仿真效果，没有深入研究。这几天和学流体的师兄交流的时候，他说他同学有一个搞高速冲击的，用流体的方法搞。

好奇心来了，流体的方法怎么搞？

师兄曰，高速情况下，子弹穿过一些物体，不就像子弹游在水里一样嘛。

虽然说得很玄妙，但是好像很有道理。实际上流体和固体很多现象很接近。就比如带孔板的拉伸和圆柱扰流，云图真是傻傻难分。并且还真有学者找到两者的本构共通性，用圆柱绕流来研究带孔板。

一下子扯远了，继续低速冲击。

2 模型

考虑如下模型，边界条件为底部固支，上面板四个角点固支。面板失效基于Hashin准则判断，芯层失效基于MISESS准则判断。

看似简单的问题往往暗含杀“鸡”。

1） 冲头设置为刚体，其密度的取值，不能直接赋予钢的属性。因为实际的冲头结构为柱状。建模中，处于简化考虑，取头部半球进行建模，为此需要根据实际冲头质量，换算出仿真用冲头的密度。

2） 面板和夹层之间可以绑定，如果夹层是蜂窝这类非均匀结构，用接触属性会比较合适，但是接触的定义要考虑好，否则很容易穿透，或者大滑移。

3） 同样的，冲头和面板的接触也要注意，网格的疏密和接触属性都可能造成穿透。

4） 为了防止网格过度扭曲，要对网格扭曲进行控制，也可以缩放其质量，或者对过度扭曲的单元，直接赋予高模量。

5） 载荷为速度载荷，如果已知冲击能量，就根据冲头质量进行速度换算，这是高中知识了。

3 VUMAT

1) 我们此次使用VUMAT最重要的目的是，实现失效区域的识别。

2) 本次VUMAT关键输出，是应力的更新和损伤变量的更新。

3) 本次VUMAT的结构如下：

材料参数定义；

HASHIN准则计算；

用HASHIN准则进行失效判断；

对失效区域的刚度进行折减；

刚度矩阵定义；

应变定义；

根据刚度矩阵和应变进行应力更新；

4 结果

应力云图效果如下：

载荷-时间曲线如下，横坐标单位是ms。

面板和芯层的失效各自如下：

需要指出的是，这个模型相对简单，芯层结构比较均匀。如果蜂窝夹层，载荷-时间曲线的噪点可能比较多：

这个时候可以对数据进行二次处理，进行滤波：

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