УДК 539.4

 

DOI 10.24411/1683-805X-2020-14012

 

В статье методом конечных элементов исследовано поведение слоистого композита, состоящего из внутреннего наноупрочнeнного слоя полипропилена и двух внешних слоев алюминия, при низкоскоростном ударном нагружении. С помощью трехмерной уменьшенной модели изучен отклик многослойной структуры на ударное воздействие падающего груза. Поведение внутреннего слоя полипропилена и внешних слоев алюминия в зависимости от скорости деформации рассмотрено с использованием модели материала Джонсона–Кука. Изучено влияние различного массового соотношения наночастиц, толщины внутреннего слоя и массы ударника на мощность удара. Сравнение ударных характеристик многослойных структур с различным массовым соотношением наночастиц показало, что в случае внутреннего полипропиленового слоя с массовой долей графена 0.5 % наблюдаются наименьшая площадь повреждения и минимальное поперечное смещение. Дальнейшее увеличение массовой доли наночастиц не влияет на механический отклик рассматриваемого композита. Увеличение массы ударника приводит к увеличению контактного усилия и продолжительности контакта. При увеличении толщины внутреннего слоя продолжительность контакта сокращается, а контактное усилие растет. Результаты конечно-элементного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Ключевые слова: низкоскоростное ударное нагружение, модель материала Джонсона–Кука, многослойная структура, полипропилен, конечно-элементная модель

 

FEM analyses of low velocity impact response of sandwich composites with nanoreinforced polypropylene core and aluminum face sheets

Sandwich composites with nanoreinforced polypropylene core and aluminum face sheets were studied under low velocity impact using a finite element model. A three dimensional quarter model was implemented to simulate the drop weight impact response of sandwich structures. In order to consider the strain rate dependent behavior of the core and face sheets, the Johnson–Cook material model was used for both of the polypropylene and aluminum layers. Effects of the different weight ratio of nanoparticles, the core thickness and the impactor mass were studied on the impact outputs. Comparing the impact responses of the sandwich structures with different weight ratio of nanoparticles revealed that positioning a polypropylene layer with 0.5% weight ratio of graphene as the core of sandwich panel caused the minimum amounts of damage area and transverse displacement. Adding more amount of nanoparticles did not improved the mechanical response of the sandwich structures. Increasing the impactor mass caused an increase of the contact force and the contact duration. Increasing the core thickness caused a decrease of the contact duration and increase of the contact force. The finite element outputs were well validated against the experimental results.

 

Keywords: low velocity impact, Johnson–Cook material model, sandwich structure, polypropylene, finite element model

 

M. Bagheri Tofighi, H. Biglari  Конечно-элементный анализ отклика на низкоскоростное ударное нагружение многослойного композита с внутренним наноупрочненным слоем полипропилена и внешними слоями алюминия // Физ. мезомех. - 2020. - Т. 23. - № 4. - С. 99-109