復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊與沖擊后壓縮性能研究.pdf

1、復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)是先進(jìn)復(fù)合材料的一種結(jié)構(gòu)形式。它具有重量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、表面平整、穩(wěn)定性好、隔音與隔熱性及耐腐蝕性好等優(yōu)勢，因此，這種結(jié)構(gòu)在航空航天、交通運(yùn)輸、運(yùn)動器材、風(fēng)力發(fā)電、醫(yī)療器材等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，在工程應(yīng)用中，復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)很容易遭受各種外來物體的沖擊，尤其是低速沖擊。這些低速沖擊事件會對復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的面板、夾芯及粘結(jié)層造成各種形式的損傷。這些沖擊損傷將引起復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度的急劇下

2、降，從而對復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生威脅。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的不懈努力，在復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊及沖擊后壓縮性能研究方面已取得了豐富的成果，但是在預(yù)測低速沖擊響應(yīng)、沖擊損傷及沖擊后剩余強(qiáng)度方面還存在一些沒有解決的問題。另外，隨著各種新型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，有必要對其低速沖擊與沖擊后壓縮性能開展研究。
　　 本文回顧了近六十年來國內(nèi)外研究人員在復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊及沖擊后壓縮性能理論、數(shù)值及試驗(yàn)研究方面的現(xiàn)狀和已取

3、得的一些重要結(jié)果，并對目前該領(lǐng)域存在的問題進(jìn)行了深入分析，對以碳纖維平紋織物層壓板為面板，以PUR泡沫為夾芯的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的低速沖擊及沖擊后壓縮性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。
　　 主要研究內(nèi)容包括:
　　 (1)復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊響應(yīng)試驗(yàn)研究。以沖擊能量、沖頭尺寸、面板厚度和夾芯厚度為變量，建立了不同試驗(yàn)案例，開展了復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊試驗(yàn)。采用非接觸式測量系統(tǒng)記錄沖頭的位移和速度及底部面板的變形歷程

4、。測量了試件與沖頭間的接觸載荷、接觸時(shí)間、沖擊過程中吸收的能量等沖擊響應(yīng)，研究了沖擊能量、沖頭尺寸、面板厚度和夾芯厚度等參數(shù)對各個(gè)沖擊響應(yīng)的影響。
　　 (2)復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊損傷研究。采用無損檢測和破壞性檢測相結(jié)合的方法對復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)遭受低速沖擊后出現(xiàn)的損傷類型和損傷狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)檢測。分析了檢測結(jié)果，并確定了低速沖擊對復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)各成分造成的損傷。通過非接觸式測量系統(tǒng)獲得了各個(gè)試驗(yàn)案例凹坑損傷的直

5、徑和深度，并分析了沖擊變量、夾層板構(gòu)型參數(shù)對凹坑直徑和深度的影響。研究了接觸力-沖頭位移曲線的特征，并與相應(yīng)的試件損傷信息進(jìn)行了比較，揭示了復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)在低速沖擊載荷下的破壞過程。
　　 (3)復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)沖擊后壓縮性能試驗(yàn)研究。對低速沖擊試驗(yàn)后的復(fù)合材料泡沫夾層試件以及相應(yīng)的完好試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，記錄了受沖擊損傷及完好泡沫夾層板的失效載荷，并通過非接觸式測量系統(tǒng)獲得了損傷面板的三維變形歷程及失效模式。分析

6、了損傷面板的面內(nèi)應(yīng)變歷程，揭示了復(fù)合材料泡沫夾層試件沖擊后壓縮載荷下的失效機(jī)制，并分析了沖擊變量和泡沫夾層板構(gòu)型參數(shù)對沖擊后壓縮剩余強(qiáng)度的影響。
　　 (4)閉孔泡沫力學(xué)性能的試驗(yàn)和數(shù)值研究?；谡拿骟w單胞建立了PMI泡沫材料的代表體有限元模型，結(jié)合周期性邊界條件，采用線性有限元方法分析了PMI泡沫的彈性性能。將有限元預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果及其他理論結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了模型的有效性。然后，采用驗(yàn)證后的模型進(jìn)行參數(shù)化有限元分析，研

7、究了PMI泡沫單胞尺寸和孔壁厚度對泡沫有效模量的影響。使用三維失效準(zhǔn)則和可壓損泡沫(crushable foam)模型研究了PMI和PUR泡沫的失效及塑性性能。
　　 (5)基于Schapery理論，發(fā)展了碳纖維平紋織物鋪層面內(nèi)失效漸進(jìn)損傷模型。該模型采用Schapery理論，考慮由基體開裂、纖維/基體脫粘、纖維褶皺等微損傷擴(kuò)展造成的材料非線性，并使用塑性理論考慮復(fù)合材料面板的面內(nèi)剪切非線性。模型采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則預(yù)測平紋織物鋪層

8、中纖維束的斷裂失效。此外，本文還對平紋編織復(fù)合材料面板進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，測得面板材料的基本力學(xué)性能及漸進(jìn)損傷模型所需要的參數(shù)。
　　 (6)復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊數(shù)值研究?；诳蓧簱p泡沫模型和漸進(jìn)損傷模型，對復(fù)合材料泡沫夾層板的低速沖擊進(jìn)行了三維有限元分析。將有限元預(yù)測的低速沖擊響應(yīng)和沖擊損傷與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了模型的有效性。利用驗(yàn)證后的有限元模型進(jìn)行參數(shù)化分析，研究面板厚度、沖擊能量和沖頭尺寸對凹坑深度的綜合影響