【摘要】：碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料(Carbon fiber reinforced polymers,簡稱CFRP)具有比模量和比強度高、耐疲勞、低熱膨脹系數(shù)、低導(dǎo)熱率等優(yōu)異特性,廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通等領(lǐng)域。CFRP層合板是由單向碳纖維或編織布與樹脂基體通過層合熱壓而成,碳纖維的排布通常都集中在層合板面內(nèi)各方向上,而在法向方向上的強度則主要依賴于基體樹脂的強度,所以CFRP在該方向上的強度相對較低,易在受到?jīng)_擊時產(chǎn)生損傷而導(dǎo)致嚴重后果。因此,研究CFRP在沖擊過程中的力學(xué)響應(yīng)、抗沖擊性、能量吸收及損傷機理具有重要意義。本文分析了沖擊過程中沖頭和CFRP層合板的相互作用,通過試驗研究了3 J至12 J的能量區(qū)間內(nèi)單向連續(xù)CFRP層合板在沖擊過程中承載的載荷、變形和響應(yīng)時間的對應(yīng)關(guān)系,并對其損傷機理進行了分析。與此同時,對三維Chang-Chang漸進失效準則進行改進,建立了單向連續(xù)CFRP層合板低速沖擊響應(yīng)的有限元分析模型,并將對應(yīng)的模擬結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)進行對比。結(jié)果表明,隨著沖擊能量增加,單向連續(xù)CFRP層合板的損傷越大,其在低速沖擊下的主要損傷模式為基體開裂和分層,沖擊損傷形狀大致呈不規(guī)則橢圓形,損傷主要沿著纖維方向擴展,改進模型的預(yù)測結(jié)果與測試數(shù)據(jù)較為吻合。在較高沖擊能量下層合板的沖擊響應(yīng)曲線會出現(xiàn)載荷作用二次下降的現(xiàn)象,即沖擊過程中的沖頭對層合板的二次破壞;CFRP層合板的沖擊后壓縮(Compression after impact,簡稱CAI)損傷模式中主要為貫穿型縱向長裂紋,其中大部分裂紋均穿過沖擊損傷區(qū)域。采用有限元模擬和試驗研究相結(jié)合的方法對[0/90]_(6s)和[45/-45/0/90]_(6s)兩種鋪層結(jié)構(gòu)的CFRP層合板在不同沖擊能量水平下的沖擊響應(yīng)、面內(nèi)損傷以及層間損傷進行了研究。同時,對沖擊過程中層合板對沖擊能量的吸收和轉(zhuǎn)化進行了探討,分析了沖擊能量和鋪層角度對CFRP層合板的抗沖擊性和剩余性能的影響。模擬與試驗結(jié)果表明,與正交層合板相比,±45°鋪層能夠提高CFRP層合板的抗沖擊性;相同沖擊能量下,[45/-45/0/90]_(6s)鋪層結(jié)構(gòu)的CFRP層合板的損傷程度更小,剩余壓縮強度更高。在3 J至21 J的能量區(qū)間內(nèi),由于沖頭以反彈動能的形式帶走部分能量,沖擊能量不能被層合板完全吸收,而被吸收的能量則以彈性比能、破壞吸能和粘彈性吸能的形式被層合板吸收和轉(zhuǎn)化。CFRP層合板吸收的彈性比能隨著沖擊能量的增加而增加,至12 J時達到最大吸收值;CFRP層合板的破壞吸能始終存在且直接影響試樣的剩余性能,當沖擊能量達到12 J后破壞吸能占沖擊能量的比例迅速增加至50%左右;粘彈性吸能占比較小,但在較高沖擊能量下的吸收值高于反彈動能。沖擊能量達到12 J后CFRP層合板會出現(xiàn)樹脂和纖維的斷裂等損傷行為而導(dǎo)致層合板的剛度降低,且隨著沖擊能量的增加損傷程度增加�；谔岣邚�(fù)合材料沖擊損傷容限的目的,設(shè)計并制備了非連續(xù)碳纖維鋪層結(jié)構(gòu)的CFRP層合板,采用有限元模擬和試驗相結(jié)合的手段對其沖擊行為、拉伸行為及損傷機理進行了研究。結(jié)果表明:當沖擊能量為6 J和9 J時,非連續(xù)鋪層結(jié)構(gòu)層合板的抗沖擊性優(yōu)于單向連續(xù)層合板,其中短交疊層合板的抗沖擊性最好,模擬與試驗結(jié)果相吻合;非連續(xù)鋪層結(jié)構(gòu)層合板能夠抑制沿纖維方向裂紋的快速擴展,使得層合板在沖擊后仍能保持較高的強度。在拉伸應(yīng)力作用下,非連續(xù)鋪層結(jié)構(gòu)延滯斷裂擴展的特性提高了CFRP層合板的損傷容限,且隨著非連續(xù)鋪層結(jié)構(gòu)交疊長度的減小,延滯斷裂擴展的特性增強,但層合板拉伸強度的保留率逐漸減小;通過對不同非連續(xù)鋪層結(jié)構(gòu)CFRP層合板的拉伸強度進行擬合,所建立的非連續(xù)鋪層結(jié)構(gòu)層合板的拉伸強度預(yù)測模型可以較為方便的估算不同交疊長度下層合板的拉伸強度和延展性。此外,本文提出了一種簡便的量化面積法估算非連續(xù)鋪層結(jié)構(gòu)層合板的損傷面積,該方法與采用圖像分析軟件Image-Pro Plus對損傷面積的測量結(jié)果相比,量化誤差均在12%以內(nèi),具有良好的準確性。
【圖文】：

圖 1-1 七種混雜層合板的沖擊接觸力-時間曲線[22]Fig. 1-1 The typical impact load time curves of seven hybrid laminates[22件也會對材料的性能產(chǎn)生影響，如沖頭尺寸、沖擊能量和過程中的力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生影響。Zhou 等[25]研究了沖擊角度鋪層順序?qū)?CFRP 層合板的沖擊響應(yīng)的影響。通過改變沖的接觸條件，發(fā)現(xiàn)沖擊角度和沖頭尺寸的改變對層合板的有重要影響。當條形沖頭垂直沖擊層合板表面層的纖維時擊力和更嚴重的纖維損傷。此外，，隨著沖頭直徑的增加，雖然半球形沖頭產(chǎn)生的沖擊力較小，但仍會導(dǎo)致嚴重的層內(nèi)環(huán)境因素對復(fù)合材料的性能表征也有一定的影響。Zhou 沖頭直徑對蜂窩增強層合板的低速沖擊響應(yīng)的影響。結(jié)果層合板沖擊點的位移會隨著溫度的增加而增加；但是，層的增加而減小。沖擊中聚合物基復(fù)合材料的能量轉(zhuǎn)化與吸收可以對沖擊能量進行轉(zhuǎn)化的力學(xué)響應(yīng)主要有變形、損傷等

第 1 章 緒 論在沖擊的初始階段，部分沖擊能量被材料的彈性變形和摩擦所量大于材料變形所吸收的能量，則多余的能量將被塑性變形或，Nisini 等[31]將沖擊滯后曲線分為三個能量吸收階段：彈性吸彈能。Balaganesan 等[32]不僅對修復(fù)的復(fù)合材料在低速沖擊過程能量吸收進行了計算，還對基體開裂吸能和修復(fù)區(qū)域的剪切吸不同沖擊能量下沖頭的下落速度是不同的，因而也會對沖擊過hanto 等[33]認為沖擊能量和時間之間的關(guān)系如圖 1-2 所示。其中時的最大能量。在沖擊能量-時間曲線的終點可估算彈性吸能（散的能量 Ee）和被吸收的能量（在沖擊過程中耗散的能量 Ea系可以寫成公式（1-1）。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB332;TQ327.3

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 張阿櫻;張東興;李地紅;肖海英;賈近;;碳纖維/環(huán)氧樹脂層壓板的沖擊損傷[J];宇航材料工藝;2010年05期

2 崔海超;馬宏毅;閆麗;安學(xué)鋒;益小蘇;;T700/6421復(fù)合材料層板低速沖擊后損傷特性[J];材料工程;2009年S2期

3 沈真,張子龍,王進,楊勝春,葉林;復(fù)合材料損傷阻抗和損傷容限的性能表征[J];復(fù)合材料學(xué)報;2004年05期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 王昌海;復(fù)合材料層合板的低速沖擊損傷模擬[D];天津大學(xué);2012年

2 龐杰;復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固化變形分析及其控制[D];南京航空航天大學(xué);2010年

本文編號：2603203