FMLs的低速冲击损伤试验与数值分析方法研究

摘要

纤维金属层板(FMLs)是一种由金属薄板和纤维复合材料板交替铺层粘接而成的一种混杂复合材料层板。因其兼有复合材料和金属材料的优异特性，近年来FMLs成为航空结构应用的热门材料之一。目前国外已对FMLs冲击问题进行了大量研究并取得了丰富的研究成果。随着我国航空工业的发展，研究国产FMLs的结构性能和断裂机制成为亟需。故本文对国产FMLs的低速冲击试验及数值分析方法进行深入研究。主要内容如下：
　　根据相关标准和国内外发表的论文，设计了系列冲击试验件和相关夹具，采用落锤冲击试验机对国产FMLs、铝合金板、玻璃纤维复合材料层板和碳纤维复合材料层板进行一系列不同能量的低速冲击试验。对不同能量冲击下四种试样的表面可视损伤和冲击响应进行了对比分析。分别探讨了固支和简支两种边界条件以及铝层轧制方向对FMLs冲击响应的影响，并对低速冲击载荷下FMLs的响应机制进行了分析。结果显示：低速冲击后FMLs的响应和损伤有其独特的特征规律；边界条件对FMLs的冲击响应有一定影响，而铝层轧制方向对FMLs抗冲击性能的影响却不明显；得益于0/90度交替铺层的玻璃纤维层，FMLs的完全穿透能较相同厚度的铝板要高约22％。
　　根据连续损伤力学原理，推导并建立了三维复合材料连续损伤模型，并编写了相应的VUMAT子程序。采用ABAQUS软件建立了FMLs低速冲击的数值分析模型，并与试验结果对比验证了该模型的准确性。重点对典型试验条件下FMLs的冲击损伤进行了数值计算分析，给出了FMLs不同阶段的冲击响应特征；研究了冲击过程中FMLs各层响应及损伤类型；探索了试样尺寸与形状、铝层厚度及金属/复材层数对FMLs抗冲击性能的影响。冲击响应载荷-时间曲线的每一次突降正好对应着FMLs内一种损伤的出现。铝层两侧的分层最为严重，相邻90度纤维层之间的分层最小。研究结论为FMLs的设计提供了基础信息和分析手段。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2研究意义

1.3研究现状

1.4本文的研究内容

第二章FMLs落锤低速冲击试验

2.1引言

2.2试验设备及试验方法

2.3冲击试验件

2.4试验结果与分析

2.5小结

第三章 FMLs中三维复合材料连续损伤模型

3.1引言

3.2复合材料连续损伤模型

3.3三维单向复合材料本构关系

3.4材料模型在ABAQUS中的实现

3.5子程序算例验证

3.6小结

第四章 FMLs冲击损伤破坏的数值分析研究

4.1引言

4.2 FMLs有限元材料模型及参数

4.3 FMLs低速冲击有限元建模

4.4 FMLs低速冲击有限元模型结果验证

4.5小结

第五章 基于有限元的FMLs低速冲击损伤破坏研究

5.1引言

5.2 FMLs低速冲击损伤分析

5.3 FMLs试样尺寸参数对损伤的研究

5.4小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参与科研课题

攻读硕士学位期间获奖情况

致谢

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