Ti/CFRP/Ti夹层结构高速冲击损伤研究

摘要

飞机复合材料构件在服役过程中会遭受多种高速冲击，由于相对速度较大，冲击能量很高，从而造成不同程度的损伤，进而影响飞机的工作性能，严重时会对飞机造成灾难性破坏。本文基于“先进航空发动机技术研究计划”，以某型飞机复合材料抗高速冲击结构为应用背景，研究了新型的Ti/CFRP/Ti（钛合金/碳纤维复合材料/钛合金）夹层结构并成功制备出性能优良的Ti/CFRP/Ti夹层结构；通过高速冲击试验获得了夹层结构的损伤临界值以及损伤状态；结合有限元数值模拟，通过与纯CFRP层板的高速冲击损伤对比，研究了Ti/CFRP/Ti夹层结构抗高速冲击损伤机理，为Ti/CFRP/Ti夹层结构在航空航天器上的应用奠定基础。
　　（1）研究了钛合金表面处理方法及胶粘剂种类对钛合金复合材料单搭接接头剪切强度的影响，获得了Ti/CFRP/Ti夹层结构制备工艺参数，确定了钛合金采用氢氧化钠碱性阳极化的表面处理方法，选用J272环氧胶膜为胶粘剂，成功制备了Ti/CFRP/Ti夹层结构试件。
　　（2）采用空气炮试验系统开展了Ti/CFRP/Ti夹层结构高速打靶试验，获得了Ti/CFRP/Ti夹层结构靶板的临界击穿速度，分析了靶板的损伤情况，结果表明，前置钛板主要呈现出剪切冲塞失效模式，芯层复合材料纤维拉断，胶层脆裂，后置钛板则表现为撕裂型破坏，且后置钛板的损伤明显大于前置钛板。与纯CFRP靶板的高速冲击进行了对比，纯CFRP靶板受球半径2mm的轴承钢珠冲击的临界击穿速度为203 m/s，Ti/CFRP/Ti夹层结构的这一数值为341 m/s。
　　（3）基于Hashin准则和Johnson-Cook材料模型，采用非线性有限元方法，应用ABAQUS/Explicit建立了Ti/CFRP/Ti夹层结构高速冲击损伤有限元分析模型，模拟了靶板高速冲击损伤的破坏过程，并与试验进行了对比，验证了该有限元模型的合理性及有效性。
　　（4）在上述研究的基础上，进一步应用该模型，讨论了冲击速度、弹丸尺寸、芯层复合材料的铺层、前置钛板与后置钛板的厚度配置等因素对冲击响应的影响规律，结果表明，靶板吸能值随弹速增加而增大直至趋于一稳定值，结构的损伤与芯层复合材料铺层相关性较小，此外在面密度不变的前提下增加前置钛板的厚度降低后置钛板的厚度可以使Ti/CFRP/Ti夹层结构达到最佳吸能效果。

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注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 高速冲击损伤问题的研究方法

1.3 国内外研究现状

1.4 有限元方法在高速冲击中的应用

1.5 课题研究内容及创新点

第二章 Ti/CFRP/Ti夹层结构的制备

2.1 试验设备及材料

2.2 芯层复合材料的制备

2.3 胶接材料的表面处理

2.4 胶粘剂的选择

2.5 Ti/CFRP/Ti夹层结构的成形固化

2.6 本章小结

第三章 Ti/CFRP/Ti夹层结构的冲击试验

3.1 空气炮试验设备

3.2 空气炮法试验过程

3.3 冲击试验内容

3.4 本章小结

第四章 Ti/CFRP/Ti夹层结构高速冲击损伤模拟

4.1 损伤准则的选取

4.2 有限元模型

4.3 有限元模型的合理有效性验证

4.4 有限元模拟结果分析

4.5 本章小结

第五章 Ti/CFRP/Ti夹层结构抗高速冲击损伤影响因素分析

5.1 不同冲击速度对冲击响应的影响

5.2 不同球半径弹丸对冲击响应的影响

5.3 不同铺层对冲击响应的影响

5.4前置钛板与后置钛板的厚度配置对冲击响应的影响

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 课题研究展望

参考文献

致谢

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