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缝合复合材料层合板低速冲击损伤分析研究

宫保彬  
【摘要】:缝合复合材料通过在厚度方向上引入缝线提高了抗冲击性能,应用前景广阔。但是,在缝合层合板低速冲击损伤中,大多数没有考虑缝线对缝合复合材料面内力学性能的影响,此外在损伤判定环节,应用的失效准则缺乏对比。本文针对目前存在的问题,开展了缝合层合板低速冲击试验与损伤预测方法的研究,主要内容如下:(1)提出了一种缝合单层板面内力学性能预测方法。确定了缝合单层板单胞模型,考虑了缝线对单胞面内纤维体积含量的影响,推导了纤维与树脂混合区域内任一点的纤维体积含量表达式,求解了单胞内任一点的弹性常数与面内强度参数,推导了统一的周期性边界条件表达式,基于平面应力状态下Hashin失效准则、刚度退化规律求解缝合单层板面内力学性能。(2)建立了基于缝合单层板面内力学性能的缝合层合板低速冲击损伤预测方法。以只承受拉伸载荷的杆单元模拟缝线、实体单元模拟层间界面建立有限元模型,利用面内力学性能预测值作为材料性能。推导了缝合层合板在冲击载荷下的应力应变关系,考虑面内的纤维损伤包括纤维拉伸、压缩以及基体损伤包括基体开裂、挤压,层间的分层损伤以及缝线的断裂损伤,采用三种失效准则组合进行损伤判定,利用刚度折减方法模拟材料失效后性能的变化,进行缝合层合板低速冲击损伤预测分析。(3)以缝合T300/QY9512层合板为研究对象,开展了低速冲击试验研究;针对冲击试验,采用本文建立的缝合层合板低速冲击损伤预测方法进行冲击损伤预测,得到了如下结论:采用LaRC03-Weng组合准则获得的损伤投影面积预测值与试验值误差绝对值均在6.8%以内,在三种失效准则组合中预测效果最好,验证了本文提出的方法可以较好地预测缝合层合板低速冲击损伤投影面积大小;低速冲击对缝合层合板造成的分层损伤在厚度方向呈现上小下大的分布规律,损伤从冲击表面沿厚度方向向底面扩展,呈喇叭形状;低速冲击导致缝合层合板表面出现纤维及基体压缩损伤、底面出现开裂损伤,缝合层合板底面损伤程度高于冲击表面损伤程度;缝线吸收冲击能量,冲击位置附近有缝线,则可以吸收冲击能量,使损伤减小。对低速冲击试验件的底面裂纹扩展有抑制作用。(4)开展了T300/QY9512材料无缝合单向板与5×5mm缝合密度单向板静载试验研究,将5×5mm缝合密度单向板试验结果与面内力学性能预测结果对比,吻合良好,验证了本文提出的缝合复合材料面内力学性能预测方法的合理性;对比无缝合、缝合单向板力学性能试验结果,得到了如下结论:缝合后[0°]_(16)单向板静载性能有所下降;缝合后[90°]_(16)单向板拉压强度有所提高。


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