碳纤维增强镁合金层板反复冲击损伤行为预测

摘要

纤维金属层合板(FMLs)是由金属材料层与纤维增强复合材料层交替堆叠而成，是一种具有三明治结构的新型材料，凭借其独特的力学性能已成功运用于航空航天等领域。镁合金作为工程运用中最轻的金属结构材料，与纤维复合制成的FMLs有潜在的应用价值。为了探索碳纤维复合材料增强的AZ31B镁合金层合板(Mg/CFRP)的抗冲击性能，本文使用有限元软件 ABAQUS/Explicit对其低速冲击及反复低速冲击过程进行了数值模拟分析，详细研究了其在冲击载荷下的金属层损伤、纤维层破坏及界面脱粘等失效模式。
　　界面脱粘是FMLs在低速冲击下重要的损伤模式。为了能准确的模拟出界面脱粘开裂过程，本文研究了用于控制界面脱粘的指数内聚力单元本构模型(cohesivezone model, CZM)，并基于该本构模型，使用Fortran语言编写了适用于ABAQUS/Explicit中模拟界面脱粘的 VUMAT用户子程序，在与脱粘试验对比具有良好吻合度的前提下，运用于FMLs冲击过程中的数值模拟以研究各层界面的脱粘情况。
　　FMLs中纤维复合材料层采用三维Hashin失效准则，并引入刚度折减，编写了适用于纤维材料的VUMAT子程序，而镁合金则考虑了其塑性各向异性本构。首先对文献中玻璃纤维增强镁合金板(Mg/GFRP)的单次冲击试验进行了数值模拟，在取得良好的模拟结果后，研究了Mg/CFRP层合板和混杂纤维增强层合板的单次低速冲击。结果显示：在冲击过程中一般非冲击面会先于冲击面出现裂纹；与单一碳纤维增强的镁合金层合板复合材料相比，单一玻璃纤维增强的镁合金层合板在冲击载荷作用时出现的冲击破坏裂纹更小，但前者比后者的抗冲击变形能力更强；碳纤维层内混杂合适的玻璃纤维铺层能够提高碳纤维增强镁合金层合板的抗冲击性能。
　　为了探索Mg/CFRP层合板在反复低速冲击下的损伤情况，本文对其反复冲击过程进行了数值模拟，并研究了不同纤维铺层角度和不同金属体积分数对其抗冲击性能的影响。模拟结果表明：在反复低速冲击载荷作用下，Mg/CFRP层合板冲击面首先出现裂缝；在研究的铺层角度和顺序范围内，纤维材料层采用0?/90?/90?/0?铺层顺序的层合板抗反复冲击能力较强；金属体积分数越高，第一次冲击后出现的裂纹越小，但随着冲击次数的增加层合板裂纹扩展得较快。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 FMLs冲击损伤研究进展

1.3 纤维金属层合板冲击损伤理论

1.4 本文主要工作

2 层合板界面脱粘的研究

2.1 界面损伤本构模型

2.2 指数内聚力模型VUMAT的开发

2.3 双悬臂梁脱粘验证

2.4 层板低速冲击脱粘验证

2.5 本章小结

3 Mg/CFRP层合板的低速冲击损伤研究

3.1 纤维复合材料VUMAT子程序开发

3.2 Mg/CFRP层合板有限元模型

3.3 VUMAT子程序的冲击模拟验证

3.4 Mg/CFRP低速冲击模拟结果

3.5 混杂纤维层合板的冲击模拟

3.6 本章小结

4 Mg/CFRP反复冲击行为的数值模拟

4.1 Mg/CFRP反复冲击数值模拟

4.2 反复冲击模拟结果

4.3 纤维铺层角度对反复冲击的影响

4.4 金属体积分数对反复冲击的影响

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢