湿热处理后含孔隙CFRP层合板力学损伤行为与强度预测

摘要

与航空航天领域内传统的主要材料铝合金、钛合金相比,碳纤维增强环氧树脂复合材料具有非常优异的比强度、比模量等综合指标,广泛地应用于航天、航空、国防等高技术领域。由于碳纤维复合材料结构制备工艺的特殊性,孔隙成为复合材料结构中最为常见的缺陷之一。孔隙可导致复合材料的静态力学性能及疲劳强度下降。此外,复合材料层合板对低速冲击尤其敏感,即使很小的损伤也会导致结构整体性发生破坏。并且复合材料中孔隙对水的渗透和环境因素极为敏感,孔隙加速了复合材料吸湿,吸湿又可导致材料强度发生退化。然而,目前针对孔隙对湿热老化及烘干脱湿后复合材料层合板力学性能影响的研究较为少见。在此研究背景下,本文研究了孔隙对CFRP层合板未老化试样、湿热老化试样及脱湿试样力学性能的影响规律,并建立有限元模型对不同孔隙率CFRP层合板未老化试样的静态力学强度及冲击损伤面积进行了模拟。
　　研究了孔隙率及湿热环境对CFRP层合板的孔隙形貌、固化度、巴氏硬度及静态力学性能的影响规律。试验结果表明,孔隙率对CFRP层合板试样的静态力学强度均存在不利影响,随着孔隙率增长,层间剪切强度及压缩强度的下降值较大,拉伸强度下降值较小。本文研究了湿热环境对CFRP层合板试样的静态力学性能的影响,和未老化试样相比,相同孔隙率的湿热老化试样的层间剪切强度及压缩强度下降值较大。相同孔隙率的脱湿试样的拉伸强度、压缩强度及层间剪切强度均低于未老化试样,而高于湿热老化试样。相同孔隙率的湿热老化试样及脱湿试样的弯曲强度高于未老化试样的弯曲强度。采用金相显微镜及扫描电子显微镜观测破坏后试样发现,由于应力集中作用,裂纹由孔隙处产生,并且孔隙之间的基体裂纹发生相互贯通。
　　本论文还针对孔隙率对湿热处理后 CFRP层合板试样的弯曲疲劳性能及疲劳后剩余弯曲强度的影响规律进行了分析和研究。试验结果表明,孔隙率对弯曲疲劳性能的影响比对静态弯曲强度的影响程度更加显著。采用金相显微镜及扫描电子显微镜观测疲劳后试样,发现 CFRP层合板在循环荷载作用下产生不可逆的结构性损伤,进而对CFRP层合板试样的剩余弯曲强度进行测试,研究累积损伤对复合材料宏观力学性能的改变规律,试验结果表明 CFRP层合板试样的剩余弯曲强度保持率随着孔隙率的增加呈下降趋势。
　　分析了孔隙率、环境因素及冲击能量对CFRP层合板试样的冲击阻抗性能及损伤容限性能的影响规律。相同冲击能量作用下,孔隙率对凹坑深度及冲击损伤投影面积均存在不利影响。CFRP层合板冲击后剩余拉伸强度随着冲击能量的提高显著下降,然而孔隙率对CFRP层合板冲击后剩余拉伸强度的影响并不明显。试验结果表明,CFRP层合板试样的冲击阻抗性能及损伤容限性能均在冲击能量为9J处发生突变。采用热揭层方法观测发现当冲击能量超过9J后,除基体裂纹和分层两种冲击损伤形式外,试样表面开始出现纤维折断现象,揭示了当冲击能量超过阈值9J后层合板冲击损伤发生突变的破坏机理。
　　本论文在适用于复合材料单向板改进的Hashin失效准则基础上，建立了针对本文采用的纤维织物增强复合材料的静态力学强度失效准则。在Hou等人提出的适用于复合材料单向板低速冲击失效准则的基础上，改进了纤维及基体破坏的失效准则,建立了针对本文采用的纤维织物增强复合材料层合板的冲击损伤失效准则。本文通过引入复合材料基本强度参数预测不同孔隙率 CFRP层合板的力学性能,并结合刚度突然退化模型,采用ABAQUS软件建立有限元模型,较为准确地预测了不同孔隙率 CFRP层合板的静态力学强度及冲击损伤投影面积。

目录

湿热处理后含孔隙CFRP 层合板力学损伤行为与强度预测

RESEARCH ON MECHNICAL DAMAGE

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 研究目的和意义

1.2 复合材料层合板孔隙的形成

1.2.1 孔隙的形成机制

1.2.2 孔隙的形态

1.3 复合材料层合板吸湿性能的研究现状

1.3.1 复合材料层合板的吸湿过程

1.3.2 湿热环境对复合材料层合板力学性能的影响

1.4 孔隙对复合材料层合板力学性能影响的研究现状

1.4.1 孔隙对静态力学性能的影响

1.4.2 孔隙对疲劳性能的影响

1.5 本文的主要研究内容

第2 章 试样制备及试验方法

2.1 试样制备

2.1.1 试样材料

2.1.2 制造工艺

2.2 孔隙形貌检测方法

2.3 吸湿量及脱湿量检测方法

2.4 固化度检测方法

2.5 巴氏硬度检测方法

2.6 静态力学性能试验方法

2.6.1 拉伸强度试验

2.6.2 压缩强度试验

2.6.3 弯曲强度试验

2.6.4 层间剪切强度试验

2.7 疲劳试验

2.7.1 弯曲疲劳试验

2.7.2 弯曲疲劳后剩余弯曲强度试验

2.8 冲击试验

2.8.1 冲击设备

2.8.2 冲击损伤检测方法

2.8.3 冲击后剩余拉伸强度试验

2.9 本章小结

第3 章 湿热处理后CFRP 层合板静态力学行为

3.1 引言

3.2 吸湿扩散评价

3.2.1 Fick 扩散模型

3.2.2 CFRP 层合板吸湿量

3.2.3 CFRP 层合板吸湿后尺寸

3.2.4 CFRP 层合板脱湿量

3.3 CFRP 层合板物理性能

3.3.1 CFRP 层合板孔隙率

3.3.2 CFRP 层合板孔隙形貌

3.3.3 CFRP 层合板孔隙尺寸

3.3.4 CFRP 层合板固化度

3.3.5 CFRP 层合板巴氏硬度

3.4 CFRP 层合板静态力学性能

3.4.1 CFRP 层合板拉伸强度

3.4.2 CFRP 层合板压缩强度

3.4.3 CFRP 层合板弯曲强度

3.4.4 CFRP 层合板层间剪切强度

3.5 本章小结

第4 章 湿热处理后CFRP 层合板弯曲疲劳损伤行为

4.1 引言

4.2 CFRP 层合板弯曲疲劳试验结果与分析

4.2.1 孔隙率及湿热环境对CFRP 层合板弯曲疲劳的影响

4.2.2 CFRP 层合板弯曲疲劳试样损伤形式

4.3 弯曲疲劳后剩余弯曲强度试验结果与分析

4.3.1 孔隙率及湿热环境对弯曲疲劳后剩余弯曲强度的影响

4.3.2 CFRP 层合板剩余弯曲强度试样破坏形式

4.4 本章小结

第5 章 湿热处理后CFRP 层合板冲击损伤行为

5.1 引言

5.2 冲击损伤形式与表征

5.2.1 冲击凹坑深度

5.2.2 冲击损伤投影面积

5.2.3 冲击损伤破坏机理

5.3 CFRP 层合板冲击后剩余拉伸强度试验结果与分析

5.3.1 孔隙率及湿热环境对冲击后剩余拉伸强度的影响

5.3.2 CFRP 层合板冲击损伤容限性能研究

5.4 CFRP 层合板冲击前后损伤形式

5.5 本章小结

第6 章 CFRP 层合板静态力学性能及冲击损伤数值模拟

6.1 引言

6.2 CFRP 层合板静态力学强度经验模型的建立

6.3 CFRP 层合板静态力学行为有限元模拟

6.4 CFRP 层合板冲击损伤面积有限元模拟

6.3.1 有限元模拟不同孔隙率层合板的拉伸强度

6.3.2 有限元模拟不同孔隙率层合板的压缩强度

6.3.3 有限元模拟不同孔隙率层合板的弯曲强度

6.3.4 有限元模拟不同孔隙率层合板的层间剪切强度

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历