复合材料泡沫夹层结构低速冲击与冲击后压缩性能研究

摘要

复合材料泡沫夹层结构是先进复合材料的一种结构形式。它具有重量轻、比强度和比刚度高、表面平整、稳定性好、隔音与隔热性及耐腐蚀性好等优势，因此，这种结构在航空航天、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域得到广泛应用。但是，在工程应用中，复合材料泡沫夹层结构很容易遭受各种外来物体的冲击，尤其是低速冲击。这些低速冲击事件会对复合材料泡沫夹层结构的面板、夹芯及粘结层造成各种形式的损伤。这些冲击损伤将引起复合材料泡沫夹层结构刚度及强度的急剧下降，从而对复合材料泡沫夹层结构的安全性产生威胁。经过国内外学者的不懈努力，在复合材料夹层结构低速冲击及冲击后压缩性能研究方面已取得了丰富的成果，但是在预测低速冲击响应、冲击损伤及冲击后剩余强度方面还存在一些没有解决的问题。另外，随着各种新型复合材料夹层结构的不断涌现，有必要对其低速冲击与冲击后压缩性能开展研究。
　　 本文回顾了近六十年来国内外研究人员在复合材料夹层结构低速冲击及冲击后压缩性能理论、数值及试验研究方面的现状和已取得的一些重要结果，并对目前该领域存在的问题进行了深入分析，对以碳纤维平纹织物层压板为面板，以PUR泡沫为夹芯的复合材料夹层结构的低速冲击及冲击后压缩性能进行了实验和数值研究。
　　 主要研究内容包括:
　　 (1)复合材料泡沫夹层结构低速冲击响应试验研究。以冲击能量、冲头尺寸、面板厚度和夹芯厚度为变量，建立了不同试验案例，开展了复合材料泡沫夹层结构低速冲击试验。采用非接触式测量系统记录冲头的位移和速度及底部面板的变形历程。测量了试件与冲头间的接触载荷、接触时间、冲击过程中吸收的能量等冲击响应，研究了冲击能量、冲头尺寸、面板厚度和夹芯厚度等参数对各个冲击响应的影响。
　　 (2)复合材料泡沫夹层结构低速冲击损伤研究。采用无损检测和破坏性检测相结合的方法对复合材料泡沫夹层结构遭受低速冲击后出现的损伤类型和损伤状态进行了详细检测。分析了检测结果，并确定了低速冲击对复合材料泡沫夹层结构各成分造成的损伤。通过非接触式测量系统获得了各个试验案例凹坑损伤的直径和深度，并分析了冲击变量、夹层板构型参数对凹坑直径和深度的影响。研究了接触力-冲头位移曲线的特征，并与相应的试件损伤信息进行了比较，揭示了复合材料泡沫夹层结构在低速冲击载荷下的破坏过程。
　　 (3)复合材料泡沫夹层结构冲击后压缩性能试验研究。对低速冲击试验后的复合材料泡沫夹层试件以及相应的完好试件进行了单轴压缩试验，记录了受冲击损伤及完好泡沫夹层板的失效载荷，并通过非接触式测量系统获得了损伤面板的三维变形历程及失效模式。分析了损伤面板的面内应变历程，揭示了复合材料泡沫夹层试件冲击后压缩载荷下的失效机制，并分析了冲击变量和泡沫夹层板构型参数对冲击后压缩剩余强度的影响。
　　 (4)闭孔泡沫力学性能的试验和数值研究。基于正十四面体单胞建立了PMI泡沫材料的代表体有限元模型，结合周期性边界条件，采用线性有限元方法分析了PMI泡沫的弹性性能。将有限元预测结果与试验结果及其他理论结果进行比较，验证了模型的有效性。然后，采用验证后的模型进行参数化有限元分析，研究了PMI泡沫单胞尺寸和孔壁厚度对泡沫有效模量的影响。使用三维失效准则和可压损泡沫(crushable foam)模型研究了PMI和PUR泡沫的失效及塑性性能。
　　 (5)基于Schapery理论，发展了碳纤维平纹织物铺层面内失效渐进损伤模型。该模型采用Schapery理论，考虑由基体开裂、纤维/基体脱粘、纤维褶皱等微损伤扩展造成的材料非线性，并使用塑性理论考虑复合材料面板的面内剪切非线性。模型采用最大应力准则预测平纹织物铺层中纤维束的断裂失效。此外，本文还对平纹编织复合材料面板进行力学试验，测得面板材料的基本力学性能及渐进损伤模型所需要的参数。
　　 (6)复合材料泡沫夹层结构低速冲击数值研究。基于可压损泡沫模型和渐进损伤模型，对复合材料泡沫夹层板的低速冲击进行了三维有限元分析。将有限元预测的低速冲击响应和冲击损伤与相应的试验结果进行比较，验证了模型的有效性。利用验证后的有限元模型进行参数化分析，研究面板厚度、冲击能量和冲头尺寸对凹坑深度的综合影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 低速冲击响应研究进展

1．3 低速冲击损伤研究进展

1．4 冲击后剩余强度研究进展

1．4．1 半经验理论模型

1．4．2 试验和数值研究

1．5 本文研究内容

第二章 复合材料泡沫夹层结构低速冲击响应试验研究

2．1 引言

2．2 试验材料与试验件

2．3 低速冲击试验装置

2．3．1 试验装置 1

2．3．2 试验装置 2

2．3．3 试验夹具

2．4 DIC非接触式测量系统

2．4．1 2D DIC

2．4．2 3D DIC

2．4．3 ARAMIS测量系统

2．5 试验矩阵

2．6 低速冲击试验响应

2．6．1 接触载荷历程

2．6．2 吸收的能量

2．6．3 底部面板的面外位移

2．7 本章小结

第三章 复合材料泡沫夹层结构低速冲击损伤研究

3．1 引言

3．2 无损检测

3．2．1 3D ARAMIS非接触测量

3．2．2 Micro-CT扫描

3．3 破坏性检测

3．3．1 截面处理

3．3．2 光学图像和SEM结果

3．4 冲击阻抗及低速冲击损伤过程重建

3．5 本章小结

第四章 复合材料泡沫夹层板冲击后压缩性能试验研究

4．1 引言

4．2 CAI试验

4．2．1 CAI试验夹具及装置

4．2．2 CAI试验过程

4．3 试验结果

4．3．1 面外位移及失效模式

4．3．2 失效机制

4．3．3 剩余强度

4．4 本章小结

第五章 闭孔泡沫材料力学性能研究

5．1 引言

5．2 泡沫材料力学性能测试

5．2．1 PUR泡沫材料性能测量

5．2．2 PMI泡沫材料性能测量

5．3 有效模量理论

5．4 有限元分析

5．4．1 RVE模型

5．4．2 边界条件

5．4．3 有效性能计算

5．4．4 结果比较

5．5 参数化研究

5．6 泡沫的失效与塑性

5．6．1 ROHACELL PMI泡沫三维失效准则

5．6．2 Crushale foam模型

5．7 本章小结

第六章 基于Schapery理论的渐进损伤模型

6．1 引言

6．2 Schapery理论

6．2．1 基于热力学的势能模型

6．2．2 2-D平面应力本构模型

6．3 确定损伤状态

6．4 塑性应变模型

6．5 纤维失效模型

6．6 材料参数测量

6．7 渐进损伤模型

6．8 本章小结

第七章 复合材料泡沫夹层结构低速冲击数值分析

7．1 引言

7．2 有限元模型

7．3 试验与数值结果比较

7．3．1 冲击响应

7．3．2 损伤及破坏

7．4 参数化研究

7．5 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 全文总结

8．2 创新点

8．3 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

致谢