纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其高強(qiáng)度、耐腐蝕、可設(shè)計性等優(yōu)點(diǎn),以復(fù)合材料層合板、夾芯板和加筋板等形式被應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中,起主承力和吸能防護(hù)等作用。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的服役過程中,復(fù)合材料會受到碎石、冰雹、鳥體等沖擊荷載的作用,導(dǎo)致材料發(fā)生損傷破壞,影響結(jié)構(gòu)的承載能力。因此,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在動力荷載下的損傷破壞行為,受到人們的密切關(guān)注。本文通過研究纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的靜、動力學(xué)行為,建立了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的非線性動力本構(gòu)方程,并基于試驗(yàn)與數(shù)值模擬,揭示了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的損傷破壞規(guī)律。主要研究內(nèi)容歸納如下:(1)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)行為的研究。對經(jīng)過鋪層設(shè)計的復(fù)合材料層合板試件進(jìn)行了不同應(yīng)變率下的拉伸與壓縮試驗(yàn),得到了材料各方向上的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,并使用動態(tài)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù),得到了不同鋪層的試件在單軸荷載下的應(yīng)變分布與破壞過程。試驗(yàn)結(jié)果表明,碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料在沿纖維方向的拉伸、壓縮以及垂直于纖維方向的拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線彈性;在垂直于纖維方向壓縮以及面內(nèi)剪切方向則表現(xiàn)出非線性。材料的模量和強(qiáng)度都隨著應(yīng)變率的升高而增大,但破壞應(yīng)變幾乎不受應(yīng)變率的影響。(2)基于試驗(yàn)結(jié)果,建立纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的非線性動力本構(gòu)模型�？紤]到模型在實(shí)際工程問題中的應(yīng)用情況,分別建立了平面應(yīng)力狀態(tài)和三維應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)模型。通過材料的加卸載試驗(yàn),將材料的非線性行為歸因于損傷發(fā)展導(dǎo)致的剛度折減。為了描述損傷,引入了垂直于纖維方向和面內(nèi)剪切方向的兩個損傷因子,發(fā)現(xiàn)在單軸壓縮荷載作用下基體壓縮損傷因子與軸向應(yīng)變呈二次函數(shù)關(guān)系,而在剪切荷載下剪切損傷和剪切應(yīng)變呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。這兩個函數(shù)關(guān)系中的參數(shù)都不隨應(yīng)變率的變化而變化,說明材料的損傷過程和應(yīng)變率效應(yīng)相互獨(dú)立。(3)提出了基于橫觀各向同性應(yīng)變不變量的損傷起始判據(jù)和破壞準(zhǔn)則。在三維應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)模型中,將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料視為橫觀各向同性材料�；跈M觀各向同性假設(shè),認(rèn)為當(dāng)參考坐標(biāo)系繞彈性對稱軸轉(zhuǎn)動時,材料的損傷和破壞狀態(tài)應(yīng)該為不變量。同時,在復(fù)合材料的靜、動力學(xué)行為的研究中發(fā)現(xiàn),材料的損傷起始應(yīng)變和破壞應(yīng)變都不會隨應(yīng)變率的變化而變化。結(jié)合以上假設(shè)和試驗(yàn)現(xiàn)象,將損傷判據(jù)和破壞準(zhǔn)則表達(dá)為橫觀各向同性一階和二階應(yīng)變不變量的函數(shù)。利用Abaqus用戶子程序VUMAT,將包含破壞準(zhǔn)則的非線性動力本構(gòu)模型寫入有限元軟件中,并通過準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)的數(shù)值模擬,驗(yàn)證了本構(gòu)模型的有效性。(4)復(fù)合材料層合板及夾芯結(jié)構(gòu)的低速沖擊損傷與破壞行為研究。對復(fù)合材料層合板和復(fù)合材料泡沫夾芯板進(jìn)行了落錘沖擊試驗(yàn),通過超聲C掃描,獲得了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分層損傷區(qū)域。試驗(yàn)結(jié)果顯示,層合板在低速沖擊下的分層損傷呈兩個三角形,對稱地分布在沖擊點(diǎn)兩側(cè)。分層損傷的區(qū)域與相鄰兩子層的鋪層角度相關(guān)。根據(jù)分層損傷的規(guī)律,提出了預(yù)測分層位置與形狀的方法,為層合板的鋪層優(yōu)化設(shè)計提供了參考。泡沫夾芯板在受到低速沖擊時上面板的分層損傷與層合板的規(guī)律一致,隨著沖擊能量的提高和泡沫密度的增大,損傷面積逐漸變大,而當(dāng)上面板發(fā)生穿透時,分層損傷受到纖維破壞的影響,損傷面積將不再增加。上面板被穿透后,夾芯板的破壞區(qū)域被區(qū)分為壓潰區(qū)和斷裂區(qū),不同區(qū)域的破壞模式不同。使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的非線性動力本構(gòu)模擬復(fù)合材料層合板和夾芯板在低速沖擊下的損傷破壞行為。由于沖擊速度較低,材料的應(yīng)變率效應(yīng)并不明顯,因此將本構(gòu)模型退化為應(yīng)變率無關(guān)的形式,只考慮材料的非線性及損傷破壞行為。模擬結(jié)果完整地呈現(xiàn)了層合結(jié)構(gòu)的損傷破壞形式,計算得到的破壞形貌與試驗(yàn)結(jié)果吻合,驗(yàn)證了本構(gòu)模型在模擬低速沖擊損傷破壞行為的有效性。(5)復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)的鳥撞沖擊損傷與破壞研究。對機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同速度的鳥撞試驗(yàn),使用高速攝影機(jī)捕捉了撞擊中鳥體和結(jié)構(gòu)的變形過程,并采用三維動態(tài)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù),得到了鳥撞點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)的位移場和應(yīng)變場分布。運(yùn)用復(fù)合材料的非線性動力本構(gòu)模型,建立了機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)的鳥撞計算有限元模型。計算得到的結(jié)構(gòu)位移、變形過程和損傷破壞情況都與試驗(yàn)結(jié)果吻合。同時,對比了復(fù)合材料的非線性動力本構(gòu)模型和傳統(tǒng)本構(gòu)模型的計算結(jié)果,體現(xiàn)了非線性動力本構(gòu)在模擬高速沖擊作用下材料力學(xué)行為的優(yōu)越性。本文基于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)力學(xué)行為,建立了材料的非線性動力本構(gòu)模型,并將模型應(yīng)用于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的低速沖擊計算和鳥撞計算,揭示了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在沖擊荷載下的損傷破壞行為特征,為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和抗沖擊性能校核提供了依據(jù)。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V258.3;TB33
【部分圖文】：

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文圖 1-1 碳纖維復(fù)合材料層合板的基本結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料層合板之間添加泡沫、蜂窩等芯材，得到復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，如圖 1-2；在復(fù)合材料層合板上膠結(jié)復(fù)合材料筋條，得到復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)，如圖 1-3。復(fù)合材料層合板、復(fù)合材料夾芯板和復(fù)合材料加筋板這三種基本結(jié)構(gòu)是構(gòu)成飛機(jī)、船舶主承力構(gòu)件的基本元件。以某型軍用無人機(jī)為例，各種復(fù)合材料構(gòu)件在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用如圖 1-4。碳纖維聚合物單向復(fù)合材料復(fù)合材料層合板層合板

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文圖 1-1 碳纖維復(fù)合材料層合板的基本結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料層合板之間添加泡沫、蜂窩等芯材，得到復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，如圖 1-2；在復(fù)合材料層合板上膠結(jié)復(fù)合材料筋條，得到復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)，如圖 1-3。復(fù)合材料層合板、復(fù)合材料夾芯板和復(fù)合材料加筋板這三種基本結(jié)構(gòu)是構(gòu)成飛機(jī)、船舶主承力構(gòu)件的基本元件。以某型軍用無人機(jī)為例，各種復(fù)合材料構(gòu)件在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用如圖 1-4。碳纖維聚合物單向復(fù)合材料復(fù)合材料層合板層合板

圖 1-1 碳纖維復(fù)合材料層合板的基本結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料層合板之間添加泡沫、蜂窩等芯材，得到復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，如圖 1在復(fù)合材料層合板上膠結(jié)復(fù)合材料筋條，得到復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)，如圖 1-3。復(fù)合層合板、復(fù)合材料夾芯板和復(fù)合材料加筋板這三種基本結(jié)構(gòu)是構(gòu)成飛機(jī)、船舶主承件的基本元件。以某型軍用無人機(jī)為例，各種復(fù)合材料構(gòu)件在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用如圖層合板泡沫層合板復(fù)合材料泡沫夾芯板復(fù)合材料蜂窩夾芯板層合板筋條層合板蜂窩復(fù)合材料加筋板
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本文編號：2837135