纤维增强金属层合板的拉伸和冲击性能研究

摘要

现今，无论是航空航天、军事领域或者是诸如船舶工业这样的民用领域，复合材料都有非常重要应用。纤维增强金属层合板是由纤维增强复合材料同金属板组成的一种层合结构。其不光具有金属材料优越的加工性能和抗冲击性能，同时克服了金属材料的疲劳性能差的缺点，该类材料中玻璃纤维铝合金层合板被用于飞机机身的材料，玻璃纤维增强钢板被用于船舶制造，碳纤维增强复合材料与钢材组成的混杂材料被用于军用头盔。在材料使用之前，需要对材料的性能有一定的认识，一般的分析方式主要有实验研究和有限元分析。科学的实验和有限元分析方法，能够帮助人们做出更加全面、深入和有效的分析。本文通过实验和有限元方法重点分析了纤维金属层板的拉伸和冲击性能。通过一套有效的数值分析方法，分析了纤维金属层板材料在受冲击过程中的渐进损伤过程，揭示了材料的破坏机理，具体工作分为以下几方面:
　　分析了表面机械研磨技术(SMAT)技术的引入对2024T3铝合金板的拉伸性能的影响，并找出该处理技术中合理的实验参数。SMAT处理并被多层叠轧处理新型材料的拉伸性能数值分析过程中，通过在所有的相邻单元之间插入0厚度内聚力单元的方法，分析了该材料拉伸过程中渐进损伤过程，同时，分析了拉伸过程中裂纹萌生和偏转的细节。通过有限元参数分析的方法，分析了SMAT处理叠轧材料界面强度对材料拉伸性能的影响。并用该数值模型预测了其它结构的叠轧材料的拉伸性能。
　　以经过SMAT处理的铝合金板为材料制备成新型玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)材料，实验和理论值显示材料的极限强度和极限应变虽然有较小幅度的降低，但是其屈服强度有较大幅度的增加。实验和数值分析了GLARE板受低速落锤冲击时的破坏响应。
　　通过用户自定义子程序VUMAT，并结合Johnson-Cook模型和基于表面内聚力方法建立了GLARE受落锤低速冲击数值模型。不光分析了GLARE材料受到低速落锤冲击过程中的响应。此外，也分别分析了纤维增强层、铝合金材料以及界面层的渐进损伤过程。
　　给出了一套分析金属材料与复合材料组成的混杂结构的高速冲击性能的数值分析方法。数值分析中，除分析了高速冲击后弹丸的残余速度和材料的损伤之外，也分析了碳纤维增强复合材料层、金属层以及之间的界面的损伤破坏过程，揭示了整体材料受高速冲击的破坏机理。深入分析了冲击过程中复合材料、金属层以及界面损伤演化。由于该方法准确有效，利用该数值模型预测分析了其它类似夹层结构的抗高速冲击性能。
　　综上所述，本文通过尝试将表面机械研磨技术引入到玻璃纤维增强铝合金板中，得到极限强度和极限应变虽然有较小的降低，但是其屈服应力有较大幅度增加的夹层板材料。通过几种有限元方法的结合，建立起一套分析有效的纤维增强金属板冲击性能的数值模型，为该类材料的设计和抗冲击分析提供理论基础和参考方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 复合材料的分类

1．1．1 纤维增强复合材料

1．1．2 层合复合材料

1．1．3 颗粒复合材料

1．2 纤维金属层板介绍

1．2．1 玻璃纤维铝合金层板的发展

1．2．2 GLARE层板的优点、不足和应用

1．2．3 玻璃纤维增强铝合金层合板制备主要过程

1．2．4 纤维增强金属层板的力学行为

1．3 纤维增强金属层板抗冲击性能研究进展

1．3．1 纤维增强金属层板低速冲击实验研究

1．3．2 纤维增强金属层板高速冲击实验研究

1．3．3 纤维增强金属层板的有限元分析

1．4 表面机械研磨和累积叠轧

1．4．1 表面机械研磨方法

1．4．2 累积叠轧法

1．4．3 国内外研究现状

1．4．4 SMAT处理对纤维增强金属层板性能影响

1．5 本文主要内容

第2章 SMAT处理后的铝合金材料性能以及温轧层叠SMAT钢板的渐进损伤模拟

2．1 2024-T3铝合金在SMAT处理的研究

2．1．1 实验模型

2．1．2 不同实验参数下铝合金板的拉伸性能

2．2 ABAQUS中内聚力模型介绍

2．2．1 ABAQUS中内聚力单元线弹性分离准则

2．2．2 ABAQUS中内聚力单元损伤判定准则

2．2．3 ABAQUS内聚力损伤演化

2．3 多层叠轧SMAT合金的拉伸性能的有限元模型

2．3．1 ABAQUS中插入0厚度内聚力单元方法

2．3．2 实验模型和有限元模型

2．3．3 模型验证

2．3．4 SMAT叠轧3层304不锈钢材料的拉伸渐进损伤分析

2．3．5 SMAT叠轧3层304不锈钢材料的拉伸模拟的参数化分析

2．3．6 SMAT叠轧工艺中单层不锈钢材料厚度以及叠轧厚度减少程度对拉伸性能的影响

2．4 本章小结

第3章 玻璃纤维增强铝金属层板(GLARE)拉伸和低速冲击性能研究

3．1 GLARE板的制备

3．2 由SMAT处理的2024-T3制成的GLARE板的拉伸性能分析

3．2．1 物理模型

3．2．2 材料属性以及理论拉伸性能

3．2．3 拉伸性能实验结果

3．3 GLARE 5层板的低速冲击实验和有限元模拟中单元尺寸影响

3．3．1 落锤低速冲击实验模型

3．3．2 落锤低速冲击实验结果与讨论

3．3．3 落锤低速冲击有限元模型

3．3．4 有限元模拟以及有限元模拟中的网格尺寸优化

3．3．5 不同冲击能量下材料的响应和损伤

3．4 本章小结

第4章 玻璃纤维增强铝金属层板(GLARE)低速冲击损伤演化的数值模拟

4．1 落锤低速冲击实验模型

4．2 落锤低速冲击有限元模型

4．2．1 材料参数

4．2．2 基于表面内聚力方法

4．3 落锤低速冲击的损伤演化分析

4．3．1 有限元模型中基于表面内聚力方法的断裂能参数化研究

4．3．2 有限元方法的验证

4．3．3 GLARE5 2／1低速冲击损伤演化分析

4．4 本章小结

第5章 碳纤维增强SMAT处理后的304不锈钢层板高速冲击的损伤模拟

5．1 物理模型

5．1．1 304不锈钢的SMAT处理

5．1．2 复合材料和钢板组成的混杂结构

5．1．3 实验结果

5．2 有限元模型

5．3 数值结果与讨论

5．3．1 数值结果与同数值结果比较

5．3．2 材料受高速冲击的损伤和能量吸收情况

5．4 夹层结构高速冲击下性能预测

5．4．1 夹层结构参数

5．4．2 夹层结构高速冲击下性能预测

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢