不同弹靶条件下复合材料层板碎片冲击破坏行为研究

【摘要】：复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀性等优点,在航空航天、船舶运载、智能制造等国防科技工业领域的应用越发广泛,尤其是在飞机机身、航空发动机等结构对材料性能要求日益提高的应用背景下,复合材料的使用比例已然成为衡量航空航天结构设计水平先进性的重要指标。而当此类复合材料结构在服役过程中因外物撞击、疲劳损伤等原因导致失效时,其产生的结构碎片会高速撞击周边结构,造成二次损伤,如航空发动机机匣包容问题等。因此开展复合材料结构碎片作为冲击体时的损伤失效机理与动态力学响应研究具有重要意义,本文基于设计搭建的复合材料层板弹体冲击试验测试系统,通过复合材料碎片类弹体弹道冲击试验结合有限元数值模拟的方法,研究分析了碳纤维增强环氧树脂基铺层复合材料层合板碎片弹体在不同弹靶条件下的冲击破坏行为及相关影响因素。首先为了开展模拟复合材料层板碎片撞击周边结构的试验研究,设计搭建了基于轻气炮装置的复合材料层板弹体冲击试验测试系统,由轻气炮加载系统、靶舱夹持防护系统和动态响应测量系统组成,可实现复合材料层合板弹体以不同速度和角度撞击靶板及姿态稳定控制,实现3D-DIC技术在弹靶冲击试验中的应用。通过单向层合板准静态拉伸、压缩试验测得了复合材料部分力学性能参数。其次,基于本文搭建的冲击试验测试系统,开展了不同冲击速度下不同铺层结构碳纤维树脂基复合材料层合板碎片类弹体冲击钢板和铝合金薄板的弹道冲击试验研究,分析了层合板弹体在试验速度范围内的破坏过程、损伤机理、动能耗散及靶板力学响应,比较了冲击速度与铺层方式对冲击响应等试验结果的影响。最后,在试验基础上,建立了宏观尺度的纤维增强复合材料层板碎片弹道冲击有限元模型,建立了复合材料碎片弹体三维渐进损伤模型和铝合金靶板损伤模型,考虑了复合材料碎片冲击的不同损伤模式、应变率效应、层合板层间界面性能等因素,模拟分析了铺层复合材料层板碎片弹体对铝合金薄板的冲击过程及动态响应,通过与试验结果进行对比,验证了仿真模型的有效性。基于数值模拟方法,探究了不同冲击速度下靶板曲率对复合材料层板碎片冲击破坏行为的影响。