泡沫夹层结构复合材料低速冲击损伤阻抗特性

论文摘要

泡沫夹层结构复合材料以其轻质、高强等一系列优点已在航空航天领域得到了广泛应用。但是，泡沫夹层结构复合材料抵抗低速冲击的能力较差，并且低速冲击通常在撞击部位表面无明显的损伤迹象，而材料内部可能已出现较严重损伤，严重威胁飞行安全。因此，开展泡沫夹层结构复合材料低速冲击损伤阻抗特性的研究工作具有重要意义。以PMI泡沫夹层结构复合材料为研究对象，验证了落锤低速冲击与准静态压痕实验的等效性，并提出表征等效性的参量；应用准静态压痕实验分析低速冲击损伤阻抗特性，解决了常见的影响损伤阻抗的成型工艺问题，研究了不同边界条件（四边固支与四边简支）、芯材高度与蒙皮材料韧性对低速冲击损伤阻抗特性的影响，并通过热揭层实验分析准静态压痕损伤机理；采用有限元方法对准静态压痕实验进行模拟分析与预测，验证有限元方法在泡沫夹层结构复合材料低速冲击损伤阻抗研究中的有效性，结果表明：1)低速冲击与准静态压痕实验的载荷变化趋势相同、剖面损伤形貌类似、冲击能量—凹坑深度与准静态压痕力—凹坑深度的拐点均出现在凹坑深度0.27mm附近，这三点在一定程度上说明用准静态压痕实验代替低速冲击实验的可行性；凹坑深度适宜于表征损伤建立低速冲击和准静态压痕实验的等效性关系；在较低冲击能量（小于12J）条件下准静态压痕力可近似看作相对应的冲击能量下冲击过程中的最大载荷。2)采用铝片压住预定型体边缘的方法，对解决RTM工艺中碳纤维易出现冲散或扭曲等问题有一定的改善；在较小压痕位移下，四边固支与四边简支下的损伤阻抗特性相似，均可用来表征泡沫夹层结构复合材料的损伤阻抗；芯材高度影响泡沫夹层结构复合材料的损伤阻抗特性，包括损伤过程与形式，它们既有相同点又有不同点，相同点是①泡沫塌陷，②泡沫芯材出现裂纹，③夹层板上蒙皮分层，④芯材与下蒙皮脱粘，不同点是芯材薄时，泡沫裂纹沿横向扩展，当芯材厚时泡沫裂纹沿泡沫厚度方向出现±45°裂纹；“离位”增韧技术改变蒙皮材料韧性的方法提高了泡沫夹层结构复合材料的损伤阻抗特性；蒙皮界面发生分层损伤形貌类似于“哑铃形”，此“哑铃形”的长轴在构成该界面而靠近夹芯的铺层方向上；两界面的相对夹角越小，则分层面积越小；蒙皮的纤维断裂导致最大载荷值的突然下降。3)模拟得到的压头位移—载荷与实验结果的吻合性较好，说明有限元分析方法研究泡沫夹层结构复合材料损伤阻抗是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 先进复合材料发展概况
• 1.2 泡沫夹层结构复合材料的特点及应用
• 1.3 泡沫夹层结构复合材料的低速冲击
• 1.4 泡沫夹层结构复合材料损伤阻抗研究现状
• 1.4.1 实验研究
• 1.4.2 计算模拟与分析
• 1.4.3 存在的问题及研究趋势
• 1.5 本课题研究目的与意义
• 第二章 研究内容与实验部分
• 2.1 研究内容
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原材料
• 2.2.2 仪器设备
• 2.2.3 试样制备
• 2.2.4 落锤低速冲击实验
• 2.2.5 准静态压痕实验
• 2.2.6 泡沫芯材平压与点压实验
• 2.2.7 热揭层实验
• 2.2.8 分析表征
• 第三章 落锤低速冲击与准静态压痕实验的等效性
• 3.1 引言
• 3.2 损伤参数
• 3.2.1 损伤面积
• 3.2.2 凹坑深度
• 3.3 损伤过程
• 3.4 损伤形貌
• 3.5 本章小结
• 第四章 准静态压痕实验与损伤机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 成型工艺问题
• 4.3 边界条件对损伤阻抗的影响
• 4.3.1 凹坑深度
• 4.3.2 损伤面积
• 4.3.3 损伤过程
• 4.4 芯材高度对损伤阻抗的影响
• 4.4.1 损伤过程与形式
• 4.4.2 凹坑深度
• 4.4.3 损伤面积
• 4.4.4 载荷大小
• 4.5 蒙皮材料的韧性对损伤阻抗的影响
• 4.5.1 损伤现象与过程
• 4.5.2 载荷大小
• 4.5.3 失效形式
• 4.6 准静态压痕损伤机理
• 4.7 本章小结
• 第五章 准静态压痕实验的有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 有限元简介及分析流程
• 5.2.1 有限元简介
• 5.2.2 有限元分析流程
• 5.3 建模过程
• 5.3.1 单元选择
• 5.3.2 夹层结构参数化建模
• 5.3.3 网格划分
• 5.3.4 创建接触对
• 5.3.5 加载并求解
• 5.3.6 接触提取力
• 5.4 失效准则
• 5.4.1 芯材失效准则
• 5.4.2 蒙皮失效准则
• 5.5 刚度折减方案
• 5.6 算例分析
• 5.6.1 参数输入
• 5.6.2 结果分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 6.2.1 创新
• 6.2.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目
• 致谢
• 附录 有限元分析程序