全厚度缝合硬质聚氨酯泡沫夹层复合材料冲击响应数值模拟

摘要

传统泡沫夹层复合材料，由于界面性能薄弱，法向强度与刚度较低，影响其实际应用。本文在传统泡沫夹层结构基础上，研制了一种全厚度缝合增强的泡沫夹层复合材料，并对其冲击响应历程与冲击后损伤程度进行了数值模拟。将模拟结果应用于实际复合材料夹层结构板的设计与制备中，使复合材料板材的各项性能均达到任务指标要求。
　　 本文在冲击-接触非线性动力学理论基础上，建立ANSYS/LS-DYNA二维有限元模型，预测了未缝合与全厚度缝合硬质聚氨酯泡沫夹层结构的冲击响应过程，并对以开裂宽度、侵彻深度和损伤角度作为冲击损伤的表征参数进行数值模拟。结果表明，冲击载荷-位移历程曲线上均呈现出两个载荷高峰与位于之间的一段低载荷平台期的特征;缝线直径1.0mm×行距10.0mm的缝合泡沫夹层结构比未缝合的冲击后损伤程度低，开裂宽度和侵彻深度分别降低了63.5％和6.0％，损伤角度增加了52.0％;且随着缝线行距的减少（25.0、15.0和10.0mm）与缝线直径的增加（0.5、1.0和1.5mm），耐冲击性能提高，冲击损伤程度降低。同时，增加机织玻璃纤维增强复合材料上、下面层的厚度（1.0、1.5、2.0、2.5和3.0mm），可提高未缝合泡沫夹层结构的抗冲击能力;耐冲击性能由高到低面层织物依次为:Kevlar纤维，机织碳纤维和机织玻璃纤维。
　　 验证对比了缝线直径1.0mm×行距10.0mm的全厚度缝合硬质聚氨酯泡沫夹层结构的冲击响应数值模拟与试验过程，结果表明，冲击载荷-位移模拟与试验历程曲线均呈现出两个载荷高峰与一段低载荷平台期的特征趋势，且损伤参数吻合良好，开裂宽度分别为32.8mm和31.0mm，损伤角度分别为52.2°和62.0°，侵彻深度分别为16.9mm和17.2mm。在一系列冲击能量下(1.0-30.0J)，缝合泡沫夹层结构的数值模拟与试验所得的冲击损伤均吻合良好。

目录

声明

学位论文主要创新点

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的提出

1．2 夹层复合材料特点

1．3 冲击模拟国内外研究现状

1．3．1 经验法

1．3．2 解析法

1．3．3 数值模拟法

1．4 课题解决的主要问题

1．5 课题研究的主要内容

第二章 泡沫夹层复合材料冲击动力学基本理论

2．1 大变形动力学基本理论

2．1．1 弹性小变形基本理论

2．1．2 由小变形推导大变形动力学理论

2．2 非线性材料的本构关系

2．2．1 聚氨酯泡沫的粘弹性本构关系

2．2．2 复合材料面层的粘塑性本构关系

2．2．3 非线性材料数值计算方法

2．3 冲击——接触动力学数值计算方法

2．3．1 冲击——接触数值计算条件

2．3．2 对称罚函数求解过程

2．3．3 冲击——接触数值计算

2．4 泡沫夹层结构冲击响应数值计算

2．4．1 泡沫夹层复合材料冲击响应基本控制方程

2．4．2 有限元离散后的运动微分方程

2．4．3 有限元求解过程

2．5 本章小结

第三章 全厚度缝合泡沫夹层复合材料冲击响应数值模拟

3．1 ANSYS／LY-DYNA有限元模拟流程

3．2 全厚度缝合冲击响应数值模拟

3．2．1 有限元模型建立

3．2．2 冲击响应数值模拟

3．2．3 缝线密度对模拟结果的影响

3．2．4 缝线直径对模拟结果的影响

3．3 不同材料泡沫夹层冲击响应数值模拟

3．3．1 机织玻璃纤维面层泡沫夹层冲击模拟

3．3．2 材料厚度对模拟结果的影晌

3．3．3 材料种类对模拟结果的影响

3．4 本章小结

第四章 试验验证

4．1 冲击试验

4．1．1 硬质聚氨酯泡沫的制备

4．1．2 RTM成型泡沫夹层复合材料

4．1．3 冲击试验仪器

4．2 冲击试验验证

4．2．1 全厚度缝合泡沫夹层结构

4．2．2 一系列能量下的全厚度缝合冲击响应

4．2．3 不同面层泡沫夹层结构

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

附录

致谢