缝合复合材料层板低速冲击损伤研究

论文摘要

传统复合材料层板具有冲击阻抗低、易分层的致命弱点,很大程度上限制了其高减重效率作用的发挥。缝合复合材料作为一种新型复合材料,通过沿层板厚度方向引入增强缝线以改善材料的层间性能,显著提高了复合材料层合结构的抗冲击能力和损伤容限,日益受到复合材料学术界的高度关注。目前,针对缝合复合材料层板,更多研究集中于该材料的面内力学性能分析,而对其在低速冲击载荷作用下的动态响应和损伤研究还十分有限,现有工作主要以试验研究为主。因此,开展缝合复合材料层板的低速冲击研究,建立有效的低速冲击损伤分析力学模型,已成为缝合复合材料研究领域亟待解决的关键问题之一,具有十分重要的学术意义和工程实用价值。本文针对典型的缝合复合材料层板,基于ABAQUS软件分析平台,建立了缝合层板低速冲击作用下的三维渐近损伤分析力学模型。该模型采用三维杆单元模拟厚度方向的增强缝线,综合考虑了纤维断裂、基体挤压、基体开裂和分层等主要损伤模式,并通过用户子程序实现了组分材料本构关系的定义及材料性能退化,成功预测了缝合层板在低速冲击载荷下的冲击响应和渐进损伤过程。经算例分析表明:缝合层板在低速冲击作用下无缝线断裂,缝合层板的内部冲击损伤分布与演化规律与无缝合层板基本相同,但损伤投影面积较小。模型预测结果与试验吻合较好,表明了该模型的合理性和有效性。同时,详细探讨了冲击速度、材料体系和主要缝合工艺参数对冲击响应及损伤演化规律的影响,得到了一些有参考价值的结论和规律,为进一步开展缝合复合材料层板冲击后的剩余强度研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 缝合复合材料层板简介
• 1.2.1 制造工艺和缝合方式
• 1.2.2 主要缝合参数
• 1.2.3 缝合复合材料的应用前景
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 缝合复合材料层板基本力学性能研究
• 1.3.2 缝合复合材料层板抗冲击性能研究
• 1.3.2.1 试验研究
• 1.3.2.2 理论研究
• 1.3.3 研究现状总结
• 1.4 本文的研究内容及结构安排
• 第二章 缝合复合材料层板低速冲击损伤分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 缝合层板低速冲击三维渐近损伤分析方法
• 2.2.1 冲击载荷下的应力分析
• 2.2.2 损伤失效判据
• 2.2.3 材料性能退化方案
• 2.3 缝合层板低速冲击有限元求解及分析流程
• 2.3.1 ABAQUS/Explicit 瞬态动力学分析简介
• 2.3.2 接触算法
• 2.3.3 缝合层板低速冲击损伤程序设计及分析流程
• 2.4 本章小结
• 第三章 缝合复合材料层板低速冲击损伤的有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 缝合层板低速冲击损伤有限元建模
• 3.3 缝合层板低速冲击响应分析
• 3.4 缝合层板低速冲击渐近损伤分析
• 3.4.1 有、无缝合层板整板损伤的对比分析
• 3.4.2 有、无缝合层板单层损伤的对比分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 缝合复合材料层板低速冲击损伤影响因素研究
• 4.1 引言
• 4.2 冲击速度对缝合层板冲击损伤的影响
• 4.2.1 不同冲击速度下缝合层板低速冲击响应分析
• 4.2.2 不同冲击速度下缝合层板低速冲击损伤分析
• 4.3 材料体系对缝合层板冲击损伤的影响
• 4.3.1 不同材料体系的缝合层板低速冲击响应分析
• 4.3.2 不同材料体系的缝合层板低速冲击损伤分析
• 4.4 缝线种类对缝合层板冲击损伤的影响
• 4.4.1 不同缝线材料的缝合层板低速冲击响应分析
• 4.4.2 不同缝线材料的缝合层板低速冲击损伤分析
• 4.5 缝合密度对缝合层板冲击损伤的影响
• 4.5.1 不同缝合密度的缝合层板低速冲击响应分析
• 4.5.2 不同缝合密度的缝合层板低速冲击损伤分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 本文的创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文