碳纤维/树脂基复合材料冲击损伤无损检测工艺研究

论文摘要

先进复合材料具有重量轻、强度高等优点，在现代航空航天领域上得到广泛应用。复合材料层合结构对冲击比较敏感，即使在冲击能量较低、结构表面未留下任何痕迹的情况下，层合结构的内部也可能出现严重的分层、基体开裂和纤维断裂等损伤，从而导致抗压缩强度等力学性能大幅下降。本文根据《HB72242-95复合材料构件通用技术条件》、《GJB28952-97碳纤维复合材料层合板和层合件通用规范》标准设计制作了冲击试件，冲击试样试件材料为T300/QY8911矩形层压板，板长250㎜，宽180㎜，单层名义厚底为0.12㎜；采用自由落体冲击试验方法近似模拟了冰雹、跑道碎石撞击、普通工具撞击、人为踩踏等低能冲击源低能冲击，获得了不同冲击能量下的冲击损伤试件。论文应用显式有限元法、三维Tsai-Wu失效准则和刚度折减准则，模拟层合板低速冲击损伤过程；在研究超声C扫描、激光错位散斑检测工艺基础上，利用超声C扫描、激光错位散斑对不同能量冲击下损伤试件进行检测。论文的研究结果表明，复合材料结构在冲击能量较小时，试件表面并未留下砸痕，但试件内部已检测出轻微损伤；随着冲击能量的增加，表面出现砸痕，内部出现分层；当能量达到一定值时，试件表面出现纤维断裂，冲击背面出现平行于纤维方向的基体裂纹。有限元模拟和超声C描检测结果吻合程度很高，真空加载比热加载激光错位散斑检测效果差，在冲击能量高于5J后，超声C扫描能够直观准确地检测冲击损伤面积大小，热加载激光错位散斑检测在冲击能量大于23J后，检测结果与超声C扫描基本相同。说明本文提出的显式有限元模型，三维蔡-胡准则表征元素损伤和通过刚度折减准则预测复合材料冲击损伤程度方法的正确。本文中提出有限元分析模型和方法可以用于冲击损伤和预测，超声C扫描检测工艺、热加载激光错位散斑检测工艺可以直接应用于冲击损伤的检测，为改进复合材料制造工艺、延长使用期限和提出冲击后复合材料层合板修补方案等方面提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 复合材料损伤数值计算和冲击实验
• 1.2.2 复合材料冲击损伤无损检测研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 复合材料冲击损伤有限元模拟
• 2.1 有限元分析基础理论
• 2.1.1 弹性力学的基础理论
• 2.1.2 有限元分析的基础理论
• 2.2 复合材料有限元分析求解
• 2.2.1 ANSYS/LS-DYNA概述
• 2.2.2 ANSYS/LS-DYNA分析流程
• 2.2.3 建立复合材料有限元模型
• 2.2.4 定义接触、载荷、初始条件和约束
• 2.2.5 求解、后处理
• 2.3 复合材料有限元结果分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 碳纤维/树脂基复合材料层压板冲击损伤实验
• 3.1 碳纤维/树脂基复合材料冲击试件
• 3.1.1 冲击试件的设计
• 3.1.2 碳纤维/树脂基复合材料的制备与工艺
• 3.2 碳纤维/树脂基复合材料层压板冲击试验方法研究
• 3.2.1 冲击试验设备
• 3.2.2 冲击试验方案
• 3.3 低速冲击试验结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 碳纤维/树脂基复合材料冲击损伤无损检测
• 4.1 超声C扫描检测
• 4.1.1 超声波的物理特性及检测原理
• 4.1.2 超声C扫描检测原理
• 4.1.3 超声C扫描检测系统
• 4.1.4 超声C扫描检测工艺
• 4.1.5 超声C扫描检测结果
• 4.2 激光错位散斑检测
• 4.2.1 激光散斑的物理性质
• 4.2.2 激光散斑光学原理
• 4.2.3 激光错位散斑检测系统
• 4.2.4 激光错位散斑检测工艺
• 4.3 冲击损伤检测结果对比分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢