弹体形状和尺寸对碳纤维增强复合材料层板高速冲击影响的数值模拟

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为研究高速列车用CFRP复合材料在不同形状和尺寸外来物高速冲击下的冲击响应和损伤机制，对CFRP复合材料层板进行了163m/s速度下的高速冲击实验和数值模拟研究。在Abaqus/Explicit中建立了有限元仿真模型，采用考虑应变率效应的三维Hashin失效准则模拟纤维和基体的失效行为。沿纤维方向在层板中插入零厚度粘结单元，以复现纤维束界面脱粘和拔出等损伤现象。通过高速摄影记录的冲击过程和超声C扫描获得的损伤图像验证了有限元模型的有效性。基于该仿真模型，研究了不同形状和尺寸弹体对CFRP复合材料冲击响应的影响规律。不同形状弹体在峰值力出现时间、表现形式和层间损伤特征方面各具特点。圆柱形弹体的峰值力比球形弹体高245.01%，而圆锥形弹体比球形弹体低52.26%。当弹体尺寸从10mm增大到20mm时，球形、圆锥形和圆柱形弹体的峰值力分别增加79.67%、120.12%和283.13%。层板总脱层面积与冲击体尺寸呈正相关关系。

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