复合材料泡沫夹芯结构低速冲击损伤研究

随着复合材料夹芯结构在航空领域的广泛应用,对其抗冲击性能的研究变得越来越重要。本文对泡沫夹芯结构的低速冲击问题采用试验及数值分析的手段进行研究,比较了不同冲击能量下泡沫夹芯结构的冲击响应特点,并利用数值分析手段揭示了冲击损伤的破坏机理,同时计算得到了该夹芯结构的临界冲击能量,模拟结果与试验吻合较好,可为工程设计提供一定...     

玻璃纤维增强铝合金层板高速冲击损伤容限

为研究玻璃纤维增强铝合金（GLARE）层板高速冲击损伤容限,对单次、多次冲击载荷下GLARE层板的损伤特性进行了高速冲击试验和数值仿真研究。采用一级气体炮,在GLARE层板靶板的中心位置、边位置、角位置进行弹道冲击试验,获取弹道极限和损伤模式,然后结合数值仿真剖析动态响应特性。结果表明,弹道冲击条件下,GLARE层板主要通过塑性变形、金属层裂纹、脱胶、复合材料纤维脆断等损伤模式吸收冲击能量。边界约束效应对GLARE层板冲击损伤特性具有显著影响,主要表现在：约束效应导致不同位置冲击下GLARE层板损伤模式不同,包括成坑、金属裂纹和冲塞等特征;角位置冲击条件下,GLARE层板的弹道极限速度明显低于中心位置冲击结果;重复冲击条件下,角位置比与边位置和中心位置更容易发生穿透。     

平纹机织与2.5D机织复合材料平板弹道冲击特性对比

为研究碳纤维平纹机织和碳纤维2.5D机织复合材料平板的弹道冲击响应及失效模式,在空气炮装置上使用圆柱弹体对其进行了弹道冲击试验。通过弹道极限速度、吸能总量、单位面密度吸能量和单位厚度吸能量等指标评估其弹道冲击特性,并采用超声C扫描和CT扫描唯象分析其冲击损伤。结果表明：在等厚度下,碳纤维平纹机织复合材料平板与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,展现了更优的弹道冲击性能。碳纤维平纹机织复合材料平板的主要失效模式为分层失效,碳纤维2.5D机织复合材料平板主要为剪切充塞失效。与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,平纹机织复合材料平板弯曲变形明显,大量的纤维拉伸失效增加了平板吸能量,提高了弹道极限速度,但分层会导致平板损伤区域大,完整性较差;碳纤维2.5D机织复合材料平板损伤区域小,完整性好。     

泡沫夹芯面板非穿透损伤挖补维修有限元分析

建立了SR20飞机含非穿透损伤复合材料泡沫夹芯结构壁板挖补维修的三维有限元模型。分析了有限元模型的收敛性,给出了合理的网格划分密度。对单向拉伸和双拉伸载荷下含非穿透损伤泡沫夹芯结构进行了应力分析,给出了完好结构和维修后结构面板各材料主方向应力分布。基于最大应力准则给出了完好结构和维修后结构的单向拉伸强度和双向拉伸强度。分析结果表明,维修后的结构在单向拉伸状态下,初始损伤为面内剪切失效,应力极值点位于母板上临近维修铺层边界处与x方向结构对称轴约成30°的位置;双向拉伸状态下,初始损伤为纤维拉伸断裂,应力极值点位于母板上维修铺层边界处与x方向结构对称轴约成45°的位置。在理想修复状态下,单向拉伸时的强度恢复系数为85.8%,双向拉伸时强度恢复系数为96.7%。维修区域材料不连续,导致应力集中,使结构维修后强度下降。维修后强度随表面贴补铺层数增加而降低,原因为贴补铺层增大了局部刚度,使维修区域应力水平升高。     

三维机织复合材料弹道冲击试验研究

先进复合材料具有高比强度、高比模量等优点，是航空发动机应用研究的热点。本文通过弹道冲击试验研究三维机织复合材料平板在高速物体冲击下的损伤失效机制及其力学行为，采用高速相机记录下了靶板受冲击损伤变化过程，分析了不同速度对三维机织复合材料平板损伤形貌的影响。试验结果表明，三维机织复合材料具有优异的抗裂纹萌生和扩展性，冲击表面的主要破坏模式是纤维剪切破坏和基体破碎，在出口表面主要破坏模式是纤维拉伸断裂和基体开裂。本研究可用于支撑验证碳纤维增强树脂基复合材料包容性，为航空发动机复合材料机匣研制提供基础。     

三维中空夹芯复合材料拉伸性能的有限元分析

利用有限元软件Workbench,建立了三维中空夹芯复合材料结构模型,进行拉伸性能研究。利用该模型,探讨了材料在1 mm拉伸位移载荷作用下纤维、树脂和复合材料的应力、应变分布。结果表明:三维中空夹芯复合材料在拉伸载荷作用下,"X"形芯材交叉处应力最大,最容易发生拉伸破坏;上下面板应力最小,最不容易发生拉伸破坏;复合材料在承受拉伸载荷作用时,增强体纤维起主要承载作用,基体树脂起次要作用;当拉伸位移载荷达到1 mm时,材料的破坏模式主要为树脂破裂。     

纤维增强树脂基复合材料连接结构强度与失效分析

采用拉伸试验和有限元分析方法研究纤维增强树脂基复合材料螺栓连接与胶–螺混合连接结构的失效机理。通过拉伸–剪切试验分析其载荷–位移曲线,结合有限元仿真结果及断面微观结构变化分析其结构强度和失效机理。结果表明,螺栓连接结构孔周碳纤维丝束受到螺栓挤压力变形后传递给树脂基体。因此,呈现纤维屈曲变形,树脂基体由均匀分布状被断裂的纤维短束挤压变成团簇状,形成结构不均匀而出现薄弱区域。胶–螺混合连接结构呈现拉伸断裂式破坏,断口处碳纤维丝束在拉伸–剪切作用下从环氧树脂基体中拔出并损伤断裂,丝束方向杂乱排布。附着在碳纤维丝束周围的树脂基体从均匀分布状变为团聚状,连接结构在达到极限载荷之后出现拉伸断裂,呈现净截面破坏,并且在重新分配载荷之后板材之间的胶粘剂对纤维的破坏会起延滞作用。材料强度、螺栓强度、胶层强度及螺栓宽径比等因素均会成为影响连接结构失效破坏的因素。     

T800/5228E复合材料层合板动态冲击力学响应

研究了宽冲击能量范围(12.8、25.5、34.2、42.3与51 J)内T800/5228E复合材料层合板动态冲击力学响应历程.结果表明,复合材料层合板损伤历程依次为裂纹引发→分层扩展→最大损伤→二次损伤等,冲击能量基本不会对其发展演化历程产生影响;力学损伤参数研究发现,赫兹失效载荷Fh与冲击能量成线性关系,而最大作用载荷Fmax与冲击能量为特定指数函数关系.不可逆能量Lw与能量吸收率η研究表明,两者均与冲击能量保持单调递增关系,反映复合材料板的损伤程度在加重,但损伤面积基本趋于稳定,纤维断裂等二次损伤可能成为新型能量吸收方式.     

复合材料Ω形加筋壁板低速冲击渐进损伤及剩余强度分析

研究复合材料Ω形加筋壁板结构在不同能量及位置的低速冲击作用下的渐进损伤及其冲击后剩余强度具有重要意义。通过编写VUMAT子程序,将选择的三维Hashin失效准则及刚度退化模式加入渐进损伤模型中并与文献中试验进行对照，进一步研究不同冲击位置及不同冲击能量对于模型冲击载荷、渐进损伤及剩余强度的影响。结果表明，在加强筋中央位置处冲击对结构剩余强度影响最大；相同冲击位置处，冲击能量越大，结构损伤越严重，剩余强度越小。这为复合材料Ω形加筋壁板的结构设计提供了参考。     

航空发动机复合材料机匣弹道冲击特性

为获得复合材料作为风扇包容机匣时遭受叶片冲击载荷时的动态响应、损伤与失效模式,在空气炮装置上使用叶片形弹体对Kevlar织物层合板开展了弹道冲击试验,结果发现:复合材料靶板厚度提高25%,复合材料靶板吸收的能量提高约92%;随着叶片弹体速度的增加,复合材料靶板的损伤破坏逐渐严重,从轻微的压痕,转变为横向和纵向裂纹与分层损伤,再转变为矩形穿孔,同时靶板背面出现纤维断裂、纤维拔出与分层失效等现象;在叶片弹体撞击下,靶板上在与弹体接触的局部区域形成鼓胀变形,并在弹体击穿或反弹后发生变形回复;叶片弹体的横滚角将导致叶片的作用范围增大,使得靶板抗冲击性能有所提高。      

褶皱对碳纤维复合材料层合板压缩性能的影响

为研究纤维褶皱对碳纤维复合材料层合板压缩性能的影响,参考ASTM D6641—2014完成了含纤维褶皱碳纤维层合板压缩性能试验;同时采用基于Hashin失效准则及性能逐渐退化的渐进损伤方法进行了有限元分析。结果表明：褶皱程度为30%的凹陷试验件压缩极限载荷相比完好试验件降低了58.48%;同等褶皱程度下凹陷试验件比凸起试验件抗压强度更低;褶皱程度为30%的凹陷试验件刚度相比完好试验件降低了35.80%;有限元分析结果与试验吻合良好,试验件的损伤最初为基体损伤,经过扩展导致试验件在褶皱处断裂。     

低速冲击下FMLs、铝板和复合材料的损伤对比

为提高飞机结构的损伤容限和抗冲击性能,欧洲成功研制了多种纤维金属层板(FMLs),并在具体机型结构上成功应用。对由玻璃纤维和2024-T3铝合金交替层压而成的FMLs进行落锤低速冲击试验,并与2024-T3铝合金板和准各向同性F300复合材料板进行了对比分析。FMLs完全穿透所需要的能量比2024-T3铝合金板和复合材料板分别高出约40%和6倍;在相同能量下,FMLs的背面裂纹长度比铝合金板短30%~50%。使用有限元法对FMLs动态冲击损伤过程进行了数值模拟,其中铝层采用延性损伤理论,纤维层采用Hashin失效准则,分析了层合板的动态冲击响应,总结了其损伤规律。数值结果与试验结果符合较好。     

碳纤维增强点阵夹芯结构的散热承载协同优化

在散热性能分析中,解析地给出了点阵夹芯结构的整体传热系数和等效压降,定义了散热性能指标.通过连续介质力学的方法和经典的层合理论,并通过串并联模型给出了碳纤维增强点阵夹芯结构整体的刚度特性.在满足既定的承载要求和一定的散热要求约束下,提出了一种对碳纤维增强点阵夹芯结构进行多功能优化设计的协同优化方法,在设计中采用了更符合工程实际的基于分枝定界法的混合离散优化方法,得到了夹芯结构质量函数的最小值,从而实现了轻质的目的.同时对不同结构形式的芯子做了相应的比较和分析,结果表明:金字塔型点阵夹芯结构在实现轻质的同时,具有较强的散热能力,而且承载能力更好,更为轻质高效.      

G/C纬向混杂浅交弯联三维机织复合材料的低速冲击性能

为了研究纤维混杂对三维机织复合材料低速冲击性能的影响,本文基于同一种浅交弯联三维机织结构制备成型了全碳纤维(T700)和玻璃/碳纤维(E-glass/T700)纬向混杂两种不同的复合材料。以上述两种复合材料为研究对象进行低速冲击实验,试验时设定冲击能量分别为10、23和40 J。结果表明:在不超过40 J的冲击能量下,两种复合材料均未被冲破;在三种冲击能量下,混杂材料的峰值力均小于全碳材料,其吸收能量、最大位移均大于全碳材料。在10和23 J的冲击能量下,混杂材料的损伤程度小于全碳材料;但当冲击能量达到40 J时,混杂材料的损伤程度大于全碳材料。     

多孔金属夹芯结构的抗爆性能研究

多孔金属夹芯结构已被广泛应用于航空航天等领域,研究其抗爆吸能性能具有十分重要的意义。分别对金属空心小球和泡沫铝两种夹芯壳结构在TNT爆炸载荷作用下的抗爆性能进行爆炸实验,并采用AN-SYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟研究。结果表明:金属空心小球夹芯结构作为抗爆吸能结构是可行的;在结构框架尺寸与质量相同时,内面板厚外面板薄的夹芯结构具有更好的抗变形能力,内面板薄外面板厚的夹芯结构则具有更好的吸能特性;在结构框架尺寸与质量相同时,负梯度夹芯结构、并列型小球夹芯结构、小半径小球夹芯结构具有更好的抵抗爆炸载荷和吸收冲击能量的性能;在结构框架尺寸与质量相同时,金属空心小球夹芯结构的整体强度更高,而泡沫铝夹芯结构能更充分地发挥芯层的缓冲性能。     

编织型复合材料的冲击及冲击后压缩强度的试验研究

通过对冲头进行设计 ,和采用多通道的数据采集系统 ,得到较为详尽的冲击响应的过程 (包括冲击力 ,试件的正背面响应 ,离冲击点不同距离的响应 )。并且本文还进行了冲击后的压缩试验 ,对编织型复合材料在不同冲击能量下的压缩破坏载荷 ,及损伤后不同位置的响应进行了记录和讨论 ,是一个全面了解冲击和冲击后压缩的应力分布和破坏载荷的较为满意的实验研究方法     

X-cor夹层结构低速冲击实验和数值模拟研究

X-cor泡沫夹层结构是一种通过Z-pin技术增强泡沫夹芯的新型高性能夹层结构。在低速冲击下,X-cor夹层结构损伤失效机制复杂,通过在不同能量阶段对X-cor夹层结构失效行为进行分析,讨论Z-pin植入体积分数和泡沫芯材密度对失效行为的影响。低速冲击试样规格为Z-pin直径0.5 mm、植入角度为22°,分别改变泡沫类型和Zpin植入体积分数进行实验,结果表明:6 J冲击能量下,冲击能量主要由面板分层承担,相对于未植入Z-pin试样,随着Z-pin植入体积分数的升高,面板分层面积最多减少了45.1%,而泡沫密度对分层面积影响不大;12 J冲击能量下,部分Z-pin发生失效,通过剩余压缩强度比发现,随着Z-pin植入体积分数的增加,剩余压缩强度比先增大后减小,植入体积分数为0.42%时最高,而此时泡沫密度增加,剩余压缩强度比也随之增加;当能量到达18 J时,芯材开始出现剪切裂纹,同时吸收大部分能量,较弱的芯材剩余压缩强度比大,而Z-pin植入体积分数越大,剩余压缩强度比反而越小。采用数值模拟的方法建立低速冲击模型,并将冲击后的结果直接传递应用于剩余压缩强度模型中,得到的结果比实验值偏高25%~29%。     

复合材料T型单元损伤演化的声发射特性研究

进行了飞机结构复合材料T型单元拉脱试验研究。用声发射技术研究了复合材料T型单元拉伸载荷下的损伤演化过程。对复合材料T型单元拉伸载荷下损伤演化的机理进行了初步探讨。用参数分析方法对采集的撞击数、持续时间、事件以及幅值等声发射信号进行了分析,预报了复合材料T型单元拉伸载荷下基体开裂、分层、纤维断裂至完全丧失承载能力的损伤演化过程及对应的载荷。结果表明,声发射技术能够准确预报复合材料拉伸载荷下损伤演化的过程,从而为复合材料飞机结构的设计提供参考。     

基于PAM-CRASH的蒙皮典型结构高速冲击仿真

以典型蒙皮结构为研究对象，分别对由2024－T3铝合金和碳纤维复合材料交替层压而成的FMLs以及2024－T3铝合金蒙皮进行高速冲击有限元仿真，并进行了损伤对比。其中，铝合金层和碳纤维层均采用最大应变准则。利用碰撞模拟分析软件PAM-CRASH以及采用SPH弹体对冲击模型进行仿真，结果显示在相同冲击能量下，加了支承结构的蒙皮在损伤抗性方面有了明显提升，并在此基础上分析不同的纤维铺层角度和铺层方式对FMLs蒙皮性能的影响。     

斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤及多尺度数值模拟研究

机织复合材料在服役过程中不可避免地遭受低速冲击而引起内部损伤,导致材料性能减退。本文以斜纹机织热塑性复合材料为研究对象,通过实验与模拟相结合的方法研究其在低速冲击下的损伤行为。构建了微观、介观和宏观串行的多尺度模型对斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤行为进行预测,并在5和10 J的冲击能量下,对其进行低速冲击试验以验证该多尺度模型的正确性。结果表明,微观、介观和宏观串行的多尺度模型能够准确地预测出斜纹机织热塑性复合材料的冲击损伤特性;在较大的冲击能量下,材料正面和背面均出现了损伤,且损伤以纤维断裂为主;低速冲击数值模拟所预测的力响应曲线与试验结果表现出良好的一致性,数值模拟损伤面积的误差在10%以内。