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冰弹撞击CFRP复合材料的毁伤特性研究

王俊儒  
【摘要】:碳纤维增强塑料(Carbon Fibre Reinforced Plastic,CFRP)以其耐烧蚀、耐高温、质量轻、比强度高、比模量大、减振吸能且易整体大面积成形等特点,逐渐取代了传统的金属材料,成为航空航天领域更为理想的结构材料。随着复合材料在航空器上的大量应用,在遭遇极端冰雹天气时复合材料的表现逐渐受到了各界的广泛关注。本文以CFRP平板及不同曲率的拱形板为研究对象,建立一级气体轻气炮/液氮冷却加载系统发射冰弹开展CFRP复合材料层合板的高速撞击实验,通过实验测试、数值模拟及理论分析对冰弹撞击CFRP平板和不同曲率的拱形板进行毁伤机理研究,并建立了相关理论模型。在冰弹以不同速度撞击CFRP平板及曲率半径分别为97mm、145mm和184mm的CFRP拱形板实验研究中,测量冰弹着靶处的冲击压力、着靶处附近X-Y方向的应变及挠度等物理量,利用高速摄像机对撞击过程进行图像采集,并且对撞击后的CFRP靶板切样进行微观分析。结果表明:冰弹撞击该CFRP平板的临界分层破坏压力阈值约为1700N;拱形CFRP板在典型工况(超过破坏阈值)下的撞击过程中纤维增强体的第5、6和7层产生了IFF,IFF截面长度、开裂宽度随着曲率半径的增大而增大,IFF的断裂角为37~o±2~o,由于应力集中的作用,第4、5和7、8层间界面处发生分层损伤;基于ABAQUS/Explicit有限元软件分别对冰弹、CFRP平板和不同曲率的拱形靶板进行建模,并根据实验工况进行冰弹撞击CFRP靶板的数值模拟,通过与实验测得的着靶处冲击压力/应变等物理量、高速相机采集的撞击过程以及着靶处SEM微观形貌对比,验证数值模拟结果的可靠性,为研究航空器遭遇冰雹撞击后复合材料部分的毁伤机理提供技术支撑。根据无铰拱结构力学、复合材料力学、复合材料细观力学、材料力学等相关理论,分别建立冰弹撞击复合材料层合板的两端简支的三点弯曲物理模型及不同曲率拱形CFRP层合板的两铰简支的挠度理论物理模型。通过三点弯曲物理模型计算、分析可得该层合板的临界破坏、分层挠度约为0.6mm;由拱形CFRP层合板两铰简支的挠度模型计算可得各层基体的主应力分布情况,根据各层基体产生的拉伸损伤(IFF)预测拱形CFRP层合板的分层情况,为航空器表面复合材料部分的健康检测提供理论研究基础。


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