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含冲击损伤编织复合材料层压板失效行为

刘杰  
【摘要】:编织复合材料层压板以其比强度高、比模量大、可设计性强等一系列优点在航空航天领域日益得到广泛的应用。但编织复合材料层压板对低速冲击比较敏感,低速冲击易造成基体开裂、分层等内部损伤,而这些内部损伤表面难以察觉,却可能导致严重的事故。因此,对编织复合材料层压板低速冲击过程、冲击失效模式以及冲击损伤对层压板性能影响的研究具有重要意义。 以CF3052/5224编织复合材料层压板为研究对象,通过不同能量的低速冲击试验确定了4种损伤等级,并通过冲击后凹坑深度测量、裂纹长度测量、超声C扫描检测、热揭层检测确定了4种能量冲击后层压板的冲击失效模式与失效过程;运用ABAQUS有限元方法对层压板冲击过程进行了模拟;对含4种等级损伤的编织复合材料层压板进行冲击后压缩/弯曲试验,研究不同等级冲击损伤对层压板冲击后压缩/弯曲失效模式的影响,结果表明: 1)在冲击能量接近5.00J·mm-1时,因纤维断裂造成凹坑深度出现明显的拐点。拐点前,层压板内部损伤主要为基体开裂和分层;拐点后,层压板内部纤维发生断裂,基体开裂严重。 2)运用ABAQUS有限元模型模拟冲击过程对层压板造成的内部损伤特征,模拟结果与实验结果相符,证明了该方法研究编织复合材料层压板低速冲击过程是可行的,同时为编织复合材料层压板的设计与应用提供了参考。 3)4种等级损伤的CF3052/5224层压板整板的压缩失效模式均为剪切分层失效,但局部失效特征不同,冲击损伤区域的压缩失效模式为屈曲失效,其余位置失效模式未改变;对于不同能量冲击后层压板,其压缩失效后的屈曲面积随冲击能量的增加而增大。 4)弯曲失效后层压板冲击损伤区域的分层明显多于其他区域,整板失效模式为纯弯曲失效。对于不同损伤等级层压板,冲击损伤区域分层数量随着冲击能量的增加而增加,横向分层扩展面积则逐渐减小;无冲击损伤区域除1J·mm-1能量冲击后试样失效后产生较大的剪切分层裂纹外,其余能量冲击后弯曲层压板断口侧面失效特征相同。


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