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申请/专利权人：湖南大学

摘要：本发明公开了一种抗冲击结构，为多块单层板层叠粘合形成的层合板结构，所述单层板包括基体和按同一方向排列于所述基体上的纤维，该层合板内的纤维由上至下方向呈螺旋状设置，相邻的所述单层板之间通过粘接界面粘合。本发明还公开了一种抗冲击结构的设计方法。本发明的有益效果：吸能性能和抗冲击峰值载荷显著提高，通过设计螺旋角，可使其裂纹扩展路径曲折度增加从而有效地抑制分层且其整体刚度增大，更好地保护了其余零部件以及人员的安全。

主权项：1.一种抗冲击结构，为多块单层板层叠粘合形成的层合板结构，其特征在于，所述单层板包括基体和按同一方向排列于所述基体上的纤维，该层合板内的纤维由上至下方向呈螺旋状设置，相邻的所述单层板之间通过粘接界面粘合，所述粘接界面由下述步骤制成：步骤一、将纤维布按预设的铺设角进行铺层，每铺上一层涂一层树脂与固化剂的混合物；步骤二、对上、下模具板涂抹脱模剂，待脱模剂干了后将铺设好的纤维布放置于模具之间；步骤三、对模具中的纤维布进行热压固化；步骤四、开模；该抗冲击结构采用如下方法设计：步骤一、建立层合板结构有限元模型；步骤二、赋予有限元模型材料属性；步骤三、对层合板结构进行网格划分，并采用公式1进行沙漏控制： 其中，M为总体质量矩阵，C为整体阻尼矩阵，K为整体刚度矩阵，Qt为总体荷载矢量；xt为位移矩阵；步骤四、设置边界条件；步骤五、构建复合材料渐进损伤模型描述材料失效，具体包括如下步骤：根据线弹性本构关系，线弹性变形阶段表示为： 其中，tn为法向牵引应力，ts和tt为两个切向应力；Kn为法向界面刚度系数，Ks和Kt为两个切向界面刚度系数；δn为法向位移，δs和δt为两个切向位移；D为界面损伤变量；为三个当前牵引应力；随着界面牵引应力的增加，界面将产生初始损伤，采用二次名义应力描述界面初始损伤： 其中，为法向界面强度，和为两个切向界面强度；在满足界面初始损伤准则后，粘接界面开始产生脱胶或分层，界面的损伤演化模型采用线性损伤演化准则或非线性损伤演化准则进行表示：线性损伤演化准则： 其中，为界面损伤过程中最大损伤位移，为界面初始损伤位移，为界面完全损伤位移；非线性损伤演化准则： 其中，dδ为位移的微分，Teff为有效牵引应力，Gc为界面总断裂能，G0为界面弹性能；采用基于混合模式断裂能的BK准则来定义界面损伤行为，即需要达到一定能量后界面才能完全脱胶分层，其表达式如下： 式中，G为断裂能，GC为临界断裂能；GS＝Gs+Gt，GT＝Gn+Gs+Gt；η为粘性参数；Gn、Gs、Gt为应力在对应位移下的法向和两个切向所作的功；综合考虑纤维拉伸破坏、纤维压缩破坏、基体拉伸破坏、基体压缩破坏和面内剪切破坏，采用刚度退化方法建立了基于二维框架的正交各向异性复合材料层内损伤模型，采用最大应力损伤起始准则来预测每次破坏的发生，其表达式如下：纤维拉伸断裂 纤维压缩屈曲和扭结 基体拉伸开裂 基体压缩破碎 面内剪切破坏 其中，和为有效应力张量；FT、FC、MT、MC和S分别为纤维拉伸强度、纤维压缩强度、基体拉伸强度、基体压缩强度和剪切强度；Fijij＝ft,fc,mt,mc分别为纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸、基体压缩、面内剪切的损伤指数，用于评估损伤起始准则，表达式如下： 其中，根据真实应力σ和损伤变量进行计算，损伤变量df、dm、ds分别代表纤维、基体和剪切损伤的内部损伤变量，取值在0-1之间，值为0时表示材料未产生损伤，为1时表示材料完全损坏；当满足Hashin失效准则的任意损伤判据后，材料开始产生失效进入损伤演化阶段，其性能参数开始按照一定的法则折减，基于刚度线性下降法建立复合材料刚度折减模型，表达式如下所示：σ＝Cdε14 其中，Cd为退化的刚度矩阵；ε为应变；D＝1-1-df1-dmv12v21；E1为纤维方向的杨氏模量；E2为垂直于纤维方向的杨氏模量；G为剪切模量；v12、v21为泊松比；步骤六、采用显式有限元算法计算得到仿真结果，并采用以下沙漏控制方法减少误差，具体包括如下步骤：取初始时刻质点坐标为Xjj＝1,2,3，其中，在任意t时刻，该质点的位移xii＝1,2,3可表示为：xi＝xiXj,t16考虑阻尼效应得到矩阵表示的运动方程，可表示为： Fre＝Fex-Fin18 其中，M为总体质量矩阵，C为整体阻尼矩阵，xt为位移矩阵，K为整体刚度矩阵，代表外力，代表内力，代表残余力；利用运动微分方程的修改形式求得加速度，利用中心差分求解节点速度，由下式表达： 再利用节点速度求得结点位移，由下式表达： 分别输出层合板结构冲击过程中的初始峰值载荷、冲头的总动能以及总内能随时间的变化；步骤七、失效模式及吸能特性比较；步骤八、完成最终设计，设计相邻两层纤维的夹角，且夹角的角度在0-180°之间。

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