《Composites Science and Technology》：SIMULTANEOUS MODELLING OF IMPACT-INDUCED INTRA- AND INTERLAMINAR DAMAGE IN CFRP LAMINATES
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本研究通过开发联合交互式材料模型，结合内层单层损伤与界面分层损伤的协同演化分析，显著提升了碳纤维增强复合材料（CFRP）在冲击载荷下的数值模拟精度。模型创新性地整合了应变率效应对界面损伤的影响，并成功解决了传统粘聚力界面单元存在的非物理残留问题。通过复现AS4/8552层板动态冲击实验，验证了该模型在预测分层扩展范围、形状及峰值位移/接触力方面较ABAQUS默认模型更具优势。
Jakov Ratkovi? | Darko Ivan?evi?
克罗地亚萨格勒布大学机械工程与船舶工程学院，航空工程系，Ivana Lu?i?a 5号，10002萨格勒布
摘要
本文致力于提高用于碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料结构性能的显式有限元方法数值程序的准确性和可靠性，特别关注冲击载荷情况。为此，开发了一种交互式材料模型，该模型能够评估层内（层内）和层间（界面损伤、分层）损伤的起始和渐进过程及其相互作用。这一改进包括移除了自由浮动和非物理性的残余黏合界面元素，并考虑了应变率对层间行为的影响。本研究是作者之前工作的延续，他们之前分别开发并测试了层内和层间材料模型。本文介绍了所开发的层间材料模型，并通过重现文献中报道的双悬臂梁动态实验对其进行了验证。文中描述了这种综合、交互式材料模型的策略和总体框架及其关键特性。通过在不同能量水平下重新进行AS4/8552碳/环氧层压板的冲击实验，验证了新数值材料模型的有效性。结果表明，与Abaqus中默认的黏合区模型相比，该模型在预测分层范围和分层区域形状方面有了显著改进。同时，对峰值位移和接触力值的预测也有所提升。
章节摘录
引言
无论使用何种材料，计算结构强度和损伤容忍度都是现代结构设计过程中的关键环节。有限元方法（FEM）是本研究的核心方法之一。数值方法的改进和精确性提升带来了显著的经济和生态效益，因为它们有助于优化初始设计，从而减少物理试验的迭代次数。
方法论
如前所述，本研究是作者正在进行的研究的一部分。先前开发的层内VUMAT材料模型已经过测试和验证，重点关注基体主导的行为和较低损伤水平[15]，以及其在包括完全穿孔[16]在内的广泛损伤水平下的适用性扩展。在[16]中进行了网格敏感性分析，并通过测试验证了模型的鲁棒性。
数值模型 – 冲击场景
本文数值再现了Falco等人[31]进行的实验研究。模型包括一块尺寸为100 x 150毫米的复合板、一个直径为12.7毫米的刚性半球形撞击器、前侧的四个直径为10毫米的圆柱形夹具，以及后侧带有75 x 125毫米矩形开口的矩形支撑结构。坠落装置的质量为5.745千克。首先研究的层压板厚度为2.944毫米。
结果
图10展示了三种不同冲击能量下所有试样的接触力历史对比，以及30焦耳冲击场景下板材吸收能量的对比。所有图表中均同时显示了实验结果和两种仿真结果。
尽管“旧”仿真结果与实验结果具有较好的一致性，但从图10中的所有图表可以明显看出，“新”仿真模型的预测更为准确。
讨论
通过采用黏合行为（即黏合接触而非黏合界面元素），可以缓解自由浮动和非物理性残余黏合元素的问题。然而，这种方法不适用于本文提出的基于层内基体损伤的分层起始交互算法，因为后者显著提高了分层预测的准确性。如前所述，该算法依赖于特定的...
结论
本研究扩展了之前开发的应变率依赖型材料模型，用于模拟由单向层组成的复合层压板的冲击损伤和行为。在VUMAT用户定义的材料模型中成功实现了复杂的交互式损伤机制，该机制涉及层内基体裂纹的聚合以及随后的层间损伤起始和演变过程。
CRediT作者贡献声明
Darko Ivan?evi?：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论制定、资金获取、概念构思。Jakov Ratkovi?：撰写 – 原始草稿、软件开发、方法论应用、实验研究、概念构思
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究由克罗地亚科学基金会（HRZZ）资助，项目名称为“复合结构冲击损伤的数值建模”（CONCORDE），项目编号为UIP-HRZZ-2020-02-9317。
