复合材料折叠夹芯结构制备及力学性能研究

摘要

作为新型的夹芯结构，复合材料折叠夹层结构具有比强度高，比刚度大和良好的吸能性等特点，有望取代传统蜂窝夹层结构作为航空航天器的主承力结构材料。本文的目的是通过实验手段探索一种简单可行的复合材料折叠夹芯结构芯材制备方法，从而实现芯材制备批量化、标准化和高效率生产，使得该结构在工程应用中占有一席之地。并找到不同材质以及结构、尺寸对其压缩性能的影响规律，为该类结构材料的理论研究与实际应用提供可靠的依据。
　　本研究针对这一目标，选取热压工艺作为制备手段。本次研究从复合材料的固化动力学出发，选择C-03P-200碳纤维和Kevlar-49两种不同性质的平纹编织预浸料作为研究对象。基于热压过程温度、时间、压力三要素，对工艺参数进行了优化选取。首先通过对两种预浸料进行5℃、10℃、15℃、20℃的非等温DSC扫描热分析，然后通过外推法确定预浸料最佳的凝胶温度、热压固化温度和后处理温度。在此基础上，对材料进行了DSC等温（凝胶温度、固化温度）扫描热分析，然后以固化动力学的基本原理为依据，确定了预浸料固化度随时间的变化曲线，并结合凝胶试验结果，初步确定了固化各阶段所需要的时间。设计并制造了一套热压模具，对折叠芯子进行了制备，并以芯材的抗压强度、质量、生产效率为目标，利用正交试验、极差分析法，分别对固化工艺各阶段的保温时间和工艺压力进行了优化选取。在压缩性能试验中，分别对不同厚度的芯子、不同约束条件下的夹芯结构、不同材料组合形式多层折叠夹芯结构进行了静态的压缩试验。首先，通过改变芯壁的厚度，研究了芯子随相对密度变化的压缩力-位移变化规律及变形失效形式。最后对折叠夹芯结构、多层结构的折叠夹芯结构进行静态压缩试验，得到了折叠夹芯结构在静态压缩载荷作用下的力-位移变化曲线、破坏模式，进而对其力学特性及吸能特性进行了评估研究。为了探究不同几何尺寸的折叠夹芯结构在压缩载荷下的力学性能和吸能特性变化规律，利用ANSYS/ADPL进行数值化建模，使用LS/dyna有限元软件，采用Chang-Chang和Tsai-Wu失效准则分别对碳纤维和凯夫拉复合材料折叠夹芯结构进行准静态数值模拟研究，经过与试验对比分析其可靠性。最后对芯材长度折叠半角、宽度折叠半角，芯子高度、折叠边长和厚度对整个结构承受峰值压力、吸能特性的影响规律进行了讨论。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究意义和应用价值

1．2 国内外研究现状

1．2．1 折叠芯子几何设计

1．2．2 折叠芯材制备技术

1．2．3 折叠夹芯结构的力学性能

1．2．4 功能性研究

1．3 研究的内容

1．3．1 研究对象

1．3．2 研究的主要任务

2 材料的选择及成型工艺方法研究

2．1 工艺方法的选择

2．2 材料的选取

2．2．1 预浸料

2．2．2 脱模材料的选择

2．3 热压成型工艺

2．3．1 热压成型基本原理和条件

2．3．2 热压模具

2．3．3 热压成型设备

2．3．4 热压压力计算

2．3．5 热压工艺研究方法

2．4 本章小结

3 热压工艺参数研究

3．1 差示扫描热分析和固化制度的研究

3．1．1 固化反应动力学及处理方法

3．1．2 动态DSC测试结果及分析

3．1．3 预浸料的最佳固化温度

3．1．4 等温固化DSC差式扫描热分析

3．2 凝胶试验

3．3 热压工艺时间确定

3．4 工艺压力的确定

3．5 折叠芯材的制备

3．6 本章小结

4 复合材料折叠夹芯结构压缩实验研究

4．1 研究方法

4．2 试验结果和分析

4．2．1 芯子的压缩试验

4．2．2 折叠夹芯结构压缩力学性能

4．2．3 双层折叠夹芯结构压缩试验

4．3 本章小结

5 复合材料折叠夹芯结构模拟分析

5．1 评价指标

5．2 折叠夹芯层当量密度

5．3 有限元模型的建立及可靠t|生分析

5．3．1 有限元模型的建立

5．3．2 有限元单元的选择

5．3．3 边界条件及接触定义

5．3．5 材料失效模型和准则选择

5．3．4 设定求解控制参数

5．3．5 有限元模型可靠性分析

5．4 碳纤维折叠夹芯结构的规律性分析

5．4．1 结构几何参数对峰值强度的影响

5．4．2 结构几何参数对吸能特性的影响

5．5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢