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复合材料泡沫夹层结构低速冲击后的面内力学性能研究

谭年富  
【摘要】:复合材料泡沫夹层结构由于质量轻,高比强度、比刚度,表面平整、吸湿性低,良好的稳定性、耐腐蚀性等优势在航空航天领域得到广泛应用,但复合材料泡沫夹层板层间性能和抵抗低速冲击的性能比较弱,受低速冲击后容易出现基体开裂、纤维断裂、夹芯压塌和界面脱胶等多种损伤,导致整体结构的极限承载能力下降,严重破坏了复合材料结构的完整性,使其压缩强度、弯曲强度和弯曲刚度大幅度下降。 本文基于复合材料层压板的逐渐累积损伤原理和泡沫材料的逐渐压塌机制,建立了复合材料泡沫夹层结构低速冲击有限元模型。通过粘性界面单元模拟面板与夹芯间的脱胶破坏过程,结合Hashin失效准则进行复合材料面板面内损伤识别,引入crushable foam泡沫弹塑性本构,采用几何非线性有限元方法,研究了复合材料泡沫夹层板低速冲击的破坏过程及损伤特性,探讨冲击能量、夹芯厚度等参数对低速冲击损伤的影响规律,同时分析冲击后剩余压缩强度,获得了一些有实际应用价值的研究成果。 在50J能量的冲击下,复合材料泡沫夹层结构主要发生基体拉伸、压缩开裂,纤维拉伸断裂和剪切损伤,没有出现严重的纤维断裂和分层损伤。同时,泡沫夹芯在冲击作用下压塌形成明显的空腔和上面板产生永久的残余凹痕深度,低速冲击数值模拟结果与实验值之间的误差在合理范围之内,说明本有限元分析方法是合理有效的。 在正确的有限元分析方法基础上,进一步研究不同冲击能量对复合材料泡沫夹层结构面内力学性能的影响规律。随着冲击能量增加,其产生的冲击力随之增大且冲击力最大值点的时间会稍微提前,剩余动能也略微增大,上面板残留的剩余凹痕深度和泡沫夹芯的塌陷也会增大。 同时,研究50mm、40mm、30mm、20mm和0mm厚度夹芯的复合材料夹层结构在50J能量冲击作用下其面内力学性能的变化规律。随着泡沫夹芯厚度的增加,发生最大冲击力的时间提前但是冲击力值减小,最后的剩余动能也减小,说明厚夹芯吸能多最后内能转化的动能就越少。在同一冲击能量下,不同泡沫夹芯厚度的复合材料夹层结构产生的损伤种类相同,且厚度对各种损伤的影响没有明显的变化。0mm厚度的泡沫夹层结构即为对应的复合材料层压板,在50J能量冲击下除了产生基体、纤维和剪切损伤,还会出现分层损伤。 本文采用一种全程数值模拟分析方法进行模拟分析夹层结构的低速冲击后压缩破坏过程,分析中没有对冲击后的损伤做人为的假设,而是将模拟预测的冲击损伤直接传递用于后续的剩余压缩强度分析,从而提高了剩余强度的预测精度。 冲击后压缩破坏过程的数值模拟结果证实了泡沫夹层结构整体破坏机理的假设,即夹层结构的整体破坏是由于面板与夹芯之间发生拉伸断裂最终导致面板、夹芯脱胶完全分离。上下面板和泡沫夹芯脱胶分离后,面板主要垂直于压缩载荷的方向发生弹性屈曲和永久的弯曲变形,泡沫夹芯在冲击损伤的附近发生剪切失效和永久的塑性变形。


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