聚氨酯泡沫夹层结构复合板的制备与力学性能研究

摘要

泡沫夹层复合材料具有质量轻，强度和刚度高，抗冲击性能好，制造成本低等优点，广泛应用于航空航天、车辆、船舶、建筑等领域。本文主要对未缝合、缝合、钢丝网结构三种类型的泡沫夹层复合板进行力学性能研究，其主要工作如下：　　首先，通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备了泡沫夹层结构复合板。缝合制件是采用改进的锁式缝合，钢丝网结构则按照试样的尺寸预先铺放好所需的钢丝网，再进行复合板的制备。　　其次，以针距×行距分别为10×10mm和15×15mm的缝合泡沫夹层复合板为例，采用ABAQUS软件对其三点弯曲过程进行数值模拟。利用三维Hashin失效准则，通过静力学分析了三点弯曲的形态和破坏模式。输出应力云图以及载荷-挠度曲线，并与实验测得的真实曲线作对比，曲线与实验结果较为吻合。　　然后对三种类型的泡沫夹层复合板进行了三点弯曲性能测试。分析了试样的载荷-挠度曲线，计算了弯曲强度、弯曲弹性模量、弯曲刚度以及弯曲吸收能量。比较了泡沫板厚度，纤维铺层数，缝合密度，缝合角度，钢丝网孔径与粗细对试样弯曲性能的影响。并对弯曲失效的形态与破坏特征进行了分析。　　接着，对钢丝网结构泡沫夹层复合板进行了10J和20J的低速冲击试验。分析了纤维铺层数，钢丝网的粗细，冲击能量对试样冲击性能的影响。为了验证泡沫的缓冲吸能效果，对8层纤维铺层的未缝合试样件进行了10J和20J能量的冲击试验。　　最后还对试样进行了平压与侧压实验。平压试验中，未缝合与钢丝网试样的抗压强度都不高，主要是泡沫芯子的压缩；而缝合试样由于缝线树脂柱的作用，支承与抗压能力大幅度提升，且随缝合密度的增大而明显增强。侧压试验中，三种类型的复合板都有一定的抗侧压能力。缝合试样的侧压强度优于钢丝网结构试样，而钢丝网结构试样优于未缝合试样。

目录

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主要符号说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 复合材料的定义与分类

1.2.1 复合材料的定义

1.2.2 复合材料的分类

1.2.3 复合材料的特点

1.3 复合材料的应用

1.4 泡沫夹层复合材料力学性能研究进展

1.4.1 夹层结构复合材料弯曲性能研究现状

1.4.2 夹层结构复合材料冲击性能研究现状

1.4.3 夹层结构复合材料压缩性能研究现状

1.5 课题来源及本文主要研究内容

1.6 本章小结

第二章 聚氨酯泡沫夹层结构复合板制作

2.1 实验原材料及设备

2.2 VARTM工艺制备试样件

2.2.1 VARTM的基本原理

2.2.2 泡沫夹层结构复合板的制作过程

2.2.3 VARTM工艺的优点与缺陷

2.2.4 试样件的切割

2.3 缝合泡沫夹层复合板

2.3.1 缝合技术工艺特点

2.3.2 复合材料缝合方式

2.3.3 泡沫夹层复合板缝合夹具

2.4 钢丝网结构泡沫夹层复合板

2.5 本章小结

第三章 泡沫夹层复合板三点弯曲模拟

3.1 复合材料层合板有限元相关理论

3.1.1 复合板内损伤的有限元模型

3.1.2 本构模型的选择

3.2 复合材料层合板力学性能参数

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 几何模型

3.3.2 网格划分

3.3.3 有限元结果输出

3.4 本章小结

第四章 泡沫夹层复合板弯曲性能测试及结果分析

4.1 弯曲试验设备及试验标准

4.2 未缝合泡沫夹层复合板弯曲性能测试

4.2.1 未缝合试样弯曲试验

4.2.2 未缝合试样载荷-挠度曲线分析

4.2.3 未缝合试样弯曲性能分析

4.3 缝合泡沫夹层复合板弯曲性能测试

4.3.1 缝合试样弯曲试验

4.3.2 缝合试样载荷-挠度曲线分析

4.3.3 缝合试样的弯曲性能结果分析

4.3.4 两种不同缝合角度下的缝合试样弯曲

4.4 钢丝网结构泡沫夹层复合板弯曲性能测试

4.4.1 钢丝网结构试样

4.4.2 钢丝网结构试样弯曲性能分析

4.5 三种类型泡沫夹层复合板的弯曲性能比较

4.6 本章小结

第五章 泡沫夹层复合板低速冲击试验及结果分析

5.1 引言

5.2 冲击试验装置

5.2.1 低速冲击试验夹紧装置

5.2.2 防回弹装置

5.3 低速冲击试验过程

5.3.1 试验参数与组别

5.3.2 低速冲击试验过程

5.4 冲击试样结果分析

5.4.1 钢丝网试样冲击分析

5.4.2 未缝合试样冲击分析

5.5 本章小结

第六章 泡沫夹层复合板压缩性能研究

6.1 硬质泡沫的力学性能

6.2 泡沫夹层复合板平压性能

6.2.1 平压试验标准及原理

6.2.2 未缝合试样平压性能

6.2.3 缝合试样平压性能

6.3 泡沫夹层复合板侧压性能

6.3.1 侧压试验标准及原理

6.3.2 未缝合试样的侧压

6.3.3 缝合试样的侧压

6.3.4 钢丝网结构试样的侧压

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢