增强型复合材料多级格栅结构的压缩性能研究

摘要

复合材料格栅结构是一种具有轻质、高强度、高刚度和可设计性强等优异性能的新型轻质复合材料夹芯结构，自问世以来受到了国内外学者的广泛关注和深入研究。水下无人潜航器通常借助轻质材料提供其下潜上浮的浮力，其浮力材料多采用玻璃微珠/环氧复合材料，但其密度大，耐水压性差，提供的浮力小，密度小于0.3g/cm3的玻璃微珠浮力材料一般只能在水下200m的海洋中正常工作，难以满足水下无人潜航器的技术要求。本课题旨在探讨将这种力学性能优异的复合材料格栅结构应用于水下无人潜航器浮力结构中的可行性。 综述国内外研究现状发现，复合材料格栅结构具有优异的力学性能，但在低密度区域，其格栅壁易发生弹性屈曲失效，承载能力不高。为解决此问题，本文采用多级结构的设计思想，在单向增强碳纤维复合材料之间加入聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫，设计并制备增强型复合材料多级格栅结构的芯子，研究该结构的面外压缩、面内压缩和耐水压性能，并揭示其在三种工况下的失效模式。 基于多级结构设计思想，采用嵌锁组装工艺设计并制备增强型复合材料多级格栅结构。首先对结构的面外压缩性能进行实验研究，结果表明其面外压缩性能不稳定，主要是因为PMI泡沫加工精度不够，导致多级结构增强效果欠佳，进而基于多级格栅优化设计理论，扩宽最优泡沫厚度区间，提高了多级格栅结构面外压缩性能的稳定性，解决了PMI泡沫因加工精度不够导致的力学性能不稳定的问题。 然后，通过理论预报、数值仿真和实验手段，研究不同等效密度的碳纤维复合材料多级格栅结构面外压缩性能，绘制格栅结构面外压缩性能与等效密度关系的曲线预报，等效密度在0.04g/cm3～0.2g/cm3之间时，格栅结构的面外压缩强度从12.34MPa线性增加到53.30MPa，实验结果与之相符。因而得到面外压缩强度随等效密度增加而增大的结论，且其比面外压缩强度达到200×103m2/s2，与复合材料四边形蜂窝相比，其比面外压缩强度提高了3倍以上。仿真和实验结果发现格栅壁复合材料压溃失效和Wrinkling失效的同时发生是其主要的失效模式，与理论预报结果相吻合。 随后，本论文推导了增强型复合材料多级格栅结构在面内压缩载荷下的理论预报公式，绘制了该结构的面内压缩失效机制图，根据失效机制预报图设计试件尺寸，制备试件并对其面内压缩性能进行了实验研究，实验结果验证了失效机制图的准确性。 最后，测试实验了增强型复合材料多级格栅结构在水压环境下的耐水压性能，其耐水压力达到18.0±1.3MPa，进一步通过有限元仿真分析，揭示静水压力下增强型复合材料多级格栅结构的失效机理。研究发现复合材料面板在压缩过程中首先凹陷，进而对PMI泡沫从侧面造成挤压破坏，导致增强型复合材料多级格栅结构提前失效，这是其耐水压性不如面外压缩性能的主要原因。同密度玻璃微珠材料能承受6MPa左右的水压，本文设计的增强型复合材料多级格栅结构的耐水压性能达到18MPa，与之相比提高3倍。说明将力学性能优异的复合材料格栅结构应用于水下无人潜航器中，可大幅提升浮力结构力学性能，同时减轻结构重量与体积，使得深海无人平台可以搭载更多有效载荷，提高其续航能力等综合性能。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景

1．2国内外研究现状

1．2．1复合材料点阵结构研究现状

1．2．2复合材料格栅结构研究现状

1．3课题主要]i／F究内容

第2章增强型复合材料多级格栅结构制备工艺

2．1引言

2．2结构的制备工艺

2．2．1材料参数

2．2．2制备工艺

2．3制备工艺稳定性设计

2．4本章小结

第3章增强型复合材料多级格栅结构面外压缩性能

3．1引言

3．2理论分析

3．3数值仿真

3．3．1复合材料力学模型与VUMAT

3．3．2仿真模型建立

3．3．3仿真结果与分析

3．4实验验证

3．4．1面外压缩实验

3．4．2面外压缩性能对比分析

3．5本章小结

第4章增强型复合材料多级格栅结构面内压缩性能

4．1引言

4．2．1面内压缩性能的理论公式

4．2．2面内压缩失效机制图

4．3实验验证与对比分析

4．3．1实验方法

4．3．2实验结果与分析

4．4本章小结

第5章增强型复合材料多级格栅结构静水压缩性能

5．1引言

5．2．1试验试件结构设计

5．2．2试验试件制备与实验方法

5．2．3试验结果分析

5．3．1仿真模型建立

5．3．2结果与分析

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢