复合材料层合板冲击损伤及冲击后疲劳寿命研究

【摘要】： 随着航空发动机的发展,先进复合材料在航空结构中的应用日益增多。复合材料层合结构在制造、安装、维修和使用的过程中,不可避免地会受到外物的冲击,而在工作状态下,通常承受着复杂的疲劳载荷作用。冲击造成的各种损伤模式在疲劳载荷作用下相互耦合、相互影响,使得其疲劳损伤演化和破坏机理十分复杂,从而导致含初始冲击损伤的层合板寿命预测具有相当的难度。因此,对含初始冲击损伤复合材料层合板的疲劳寿命预测方法开展研究具有重要的理论意义和工程价值。本文主要进行了以下几方面的研究: (1)基于损伤等效原理,从无损单层板的疲劳性能出发,发展了适用于含初始冲击损伤层合板疲劳逐渐累积损伤过程的材料性能渐降模型。结合该模型以及Tserpes的疲劳失效判据,提出并建立了含初始冲击损伤层合板疲劳三维逐渐累积损伤的寿命预测方法。同时基于虚位移原理,推导了含损层合板在疲劳载荷作用下的逐渐损伤的应力分析过程,很好地实现了含初始冲击损伤复合材料层合板的疲劳寿命预测。 (2)提出了冲击及冲击后疲劳载荷作用下的损伤与寿命预测全程分析概念,基于含初始冲击损伤层合板疲劳三维逐渐累积损伤的寿命预测方法,建立了冲击及冲击后疲劳载荷作用下的三维逐渐累积损伤全程分析的寿命预测方法。在该方法中,基于层合板材料性能与损伤模式以及损伤位置有关、而与引起损伤的载荷形式无关的假设,实现了最终冲击损伤状态与疲劳初始损伤状态的分析技术对接,以及冲击及冲击后疲劳载荷作用下的损伤全程分析和寿命预测。所提出的方法适应性强,预测结果与试验结果吻合较好。基于ANSYS软件,研究、开发了工程适用性强的相关分析软件。 (3)开展了两种不同铺层参数的T300/BMP-316复合材料层合板的冲击试验及冲击后疲劳试验研究。分别对两种铺层参数的层合板进行不同能量的冲击试验,得到了冲击损伤面积随冲击能量变化的特征;通过含初始冲击损伤层合板的疲劳试验,研究了刚度退化和损伤扩展规律,获得了S ? N曲线。应用本文所提出的寿命预测方法,研究了铺层方式、冲头直径和冲击角度等因素对层合板冲击损伤及冲击后疲劳性能的影响规律和损伤机理。 (4)在层合板三维逐渐累积冲击损伤分析方法中,区分了冲击正面由冲头挤压引起的纤维挤压损伤和冲击后冲击背面由弯曲拉应力引起的纤维断裂损伤,模拟了包括纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤压以及分层在内的五种损伤模式在冲击载荷下的起始和扩展。同时,从分层损伤机理出发,考虑了层间拉应力、层间剪应力和基体开裂等引发分层损伤的因素,发展了一种分层判据。 (5)首次针对某型航空发动机外涵道机匣结构,根据其实际工况,进行冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的损伤产生和扩展过程的研究分析。