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立体结构增强纤维金属层合板层间性能研究

张晓斌  
【摘要】:纤维金属层合板(FMLs)是一种由金属合金和复合材料在一定温度和压力下固化而成的一种薄层复合结构,它结合了金属和纤维预浸料的共同优点,具有很高的比强度和比刚度、高的损伤容限和良好的耐冲击性。这些特点使得纤维金属层合板在航空航天领域得到了成功的应用。然而纤维金属层合板作为一种层间混杂材料,其界面结合能力较弱是一个很明显的问题,在应用过程中极易发生层间破坏,使其强度和刚度下降,最终导致整个结构失效,严重限制了纤维金属层合板的进一步应用。针对纤维金属层合板层间性能较弱的问题,本文提出了一种带增强结构的纤维金属层合板,通过增材制造技术对金属层进行设计制造以提高其与碳纤维预浸料的结合特性,通过金属表面圆柱三维增强结构将纤维预浸料层锚固在一起,提升其粘接强度。在实验室采用热压成型技术对三维增强结构纤维金属层合板进行制备,对制备好的纤维金属层合板界面进行分析。对制备好的三维增强纤维金属层合板进行压缩性能测试。为验证其层间力学性能,采用ABAQUS有限元仿真技术对其进行三点弯曲模型和压缩模型的建立,并对其层间性能和损伤演化进行分析。本文研究内容如下:(1)采用渐进损伤和内聚力理论相结合的方法,采用三维Hashin失效准则和刚度折减方案编写外接UMAT子程序对纤维预浸料损伤起始、损伤演化和损伤形式进行分析。同时引入延性损伤准则对金属材料损伤起始进行分析。(2)采用SolidWorks三维软件对金属层进行建模,将建立好的模型导入增材制造机床软件中,对所设计的金属层进行打印制备。采用真空热压技术对纤维金属层合板进行制备,将制备好的纤维金属层合板采用超景深显微镜进行界面观测分析。对制备好的三维增强结构纤维金属层合板进行压缩性能测试。并对其损伤形貌进行观测分析。(3)采用ABAQUS有限元分析软件建立带圆柱三维增强结构的纤维金属层合板三点弯曲和压缩仿真模型,分析三维增强个数、三维增强间距和三维增强高度对纤维金属层合板三点弯曲性能和压缩性能的影响。


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