纖維-金屬層合板(Fiber-Metal Laminates,FMLs)是指由金屬薄板和纖維增強(qiáng)樹脂在厚度方向上進(jìn)行交替鋪設(shè),在一定溫度與壓力作用下形成的層間混雜復(fù)合結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)金屬密度較大、抗疲勞性能較弱、強(qiáng)度較低等缺點(diǎn),纖維金屬層合板結(jié)合了金屬和纖維復(fù)合材料各自的優(yōu)點(diǎn),具有比強(qiáng)度高、良好的損傷容限以及抗疲勞性、抗沖擊性能優(yōu)異等特點(diǎn)。其中,玄武巖纖維有著優(yōu)良的耐高溫、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、環(huán)境友好等特點(diǎn),受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。由纖維-金屬層合板與多孔金屬構(gòu)成的梯度夾芯結(jié)構(gòu),能夠充分利用二者各自的優(yōu)點(diǎn),其中纖維-金屬層合板可為結(jié)構(gòu)提供較高的抗拉與抗彎能力,而多孔金屬芯層則為結(jié)構(gòu)提供較高的能量吸收能力,因此,發(fā)展纖維增強(qiáng)梯度多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu),闡明纖維金屬層合板及其增強(qiáng)梯度夾芯結(jié)構(gòu)在強(qiáng)動(dòng)載荷下的變形失效模式和能量耗散機(jī)理,建立其典型的動(dòng)力學(xué)分析模型,對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)的面板組成、幾何尺寸、芯層梯度分布等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),將進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)水平和抗沖擊性能,從而使多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu)更好的服務(wù)于航空航天,高速運(yùn)載,新能源開發(fā)等各領(lǐng)域。本文采用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了纖維金屬層合板及其增強(qiáng)梯度夾芯結(jié)構(gòu)在強(qiáng)動(dòng)載荷作用下的力學(xué)行為。研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:(一)以單向復(fù)合材料Hashin失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ),建立了平紋復(fù)合材料3D漸近損傷模型(3D-CDM);(二)爆炸載荷作用下玄武巖纖維-金屬層合板的動(dòng)力學(xué)行為;(三)爆炸載荷作用下纖維-金屬層合板增強(qiáng)梯度夾芯結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為。文中主要討論了爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)的變形失效模式、能量吸收和變形機(jī)理以及抗沖擊性能,取得如下重要成果:以單向復(fù)合材料Hashin失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ),考慮面內(nèi)剪切非線性力學(xué)行為特性、面內(nèi)纖維方向彈性模量及強(qiáng)度應(yīng)變率效應(yīng),建立了應(yīng)力判斷損傷起始準(zhǔn)則;結(jié)合斷裂能及三個(gè)主方向殘余壓縮強(qiáng)度,建立了應(yīng)變描述損傷演化機(jī)制;最后結(jié)合損傷起始準(zhǔn)則判據(jù)和損傷演化機(jī)制,通過Fortran語言編寫了適用于Abaqus有限元軟件分析的平紋復(fù)合材料3D漸近損傷模型子程序(VUMAT),通過與已有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型的可靠性。采用自行研制的彈道沖擊擺錘系統(tǒng)結(jié)合數(shù)值模擬方法得到了爆炸載荷下纖維金屬層合板在不同沖量下的典型變形失效模式:整體塑性大變形,金屬層面內(nèi)屈曲/折疊,纖維斷裂,界面脫膠。與等厚度的金屬板相比,高強(qiáng)度復(fù)合材料層的加入可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗爆性能。且綜合考慮沖擊加載后結(jié)構(gòu)的完整性、損傷程度以及最終撓度,與相同鋪設(shè)方式的碳纖維-金屬層合板相比,玄武巖纖維-金屬層合板表現(xiàn)出了更加優(yōu)越的抗爆性能。玄武巖纖維-金屬層合板的抗爆性能依賴于復(fù)合材料的鋪層數(shù)。當(dāng)金屬鋪層厚度不變,增加復(fù)合材料鋪層數(shù)可以顯著提高玄武巖纖維-金屬層合板的抗爆性能。通過對(duì)比結(jié)構(gòu)最大瞬態(tài)撓度與最終撓度發(fā)現(xiàn),由于纖維層較高的比剛度,結(jié)構(gòu)具有較大的彈性回彈,尤其是當(dāng)金屬體積分?jǐn)?shù)較低,纖維層體積分?jǐn)?shù)較高時(shí),選取最終撓度作為衡量結(jié)構(gòu)抗爆性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)顯著高估結(jié)構(gòu)的抗爆能力,所以在纖維-金屬層合板抗爆性能評(píng)價(jià)體系中,應(yīng)根據(jù)不同需求綜合考慮結(jié)構(gòu)的最大瞬態(tài)撓度與最終撓度。利用彈道沖擊擺錘系統(tǒng),開展了爆炸載荷下纖維金屬層合板增強(qiáng)梯度夾芯結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究,探討了爆炸載荷作用下芯層排列和加載條件對(duì)FML增強(qiáng)梯度夾芯結(jié)構(gòu)的變形失效模式,芯層壓縮規(guī)律,能量分配機(jī)制的影響。在爆炸載荷作用下FML增強(qiáng)梯度夾芯結(jié)構(gòu)前面板的變形失效模式受頂面芯層的幾何構(gòu)型的影響,主要表現(xiàn)為花瓣?duì)钏毫�、壓入變形、中心區(qū)域?qū)娱g脫膠;芯層主要表現(xiàn)為中心區(qū)域的壓縮密實(shí)化、破碎及剪切失效,基于芯層區(qū)域(整體變形區(qū)域、局部密實(shí)化區(qū)域和完全密實(shí)化/失效區(qū)域)劃分假設(shè),給出了芯層能量吸收的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法,得到了不同爆炸載荷作用下芯層的能量吸收,并繪制了芯層變形模態(tài)圖,定量的分析了芯層的壓縮量、侵入深度以及壓縮面積;背面板主要表現(xiàn)為整體的塑形大變形及界面脫膠失效。通過對(duì)比不同梯度排列夾芯結(jié)構(gòu)的背面板中心點(diǎn)殘余撓度,分析了面板材質(zhì)、芯層孔徑變化和壁厚變化、載荷工況對(duì)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)芯層單胞邊長固定時(shí),在迎爆面至背面板之間芯層以相對(duì)密度從小到大排列的結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的防爆性能;當(dāng)壁厚固定時(shí),在較小沖量作用下芯層相對(duì)密度從大到小排列的夾芯結(jié)構(gòu)性能最好,但是當(dāng)沖量增加時(shí),非梯度芯層具有最佳的抗沖擊性能。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

繼續(xù)了�？斯镜难芯坎⒀邪l(fā)出了結(jié)合金屬優(yōu)秀斷裂韌性、抗沖擊性能和高性能纖維良好抗疲勞性、高比強(qiáng)度等特點(diǎn)的纖維金屬層合板（FML: Fiber Metal Laminate）見圖1-1。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這一結(jié)構(gòu)被大量使用在航空航天等領(lǐng)域，如A320，A380見圖1-2等等。在此類結(jié)構(gòu)中，纖維材料的選取將影響相應(yīng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)與物理性能，從而決定其應(yīng)用領(lǐng)域。圖1-1 典型的FML層合板示意圖Fig.1-1 Typical Fiber-metal laminates90年代初，研究人員用玻璃纖維取代了第一代FML中的芳綸纖維，研制出了第二代FML: 玻璃纖維-鋁合金層合板

圖1-2 GLARE在A320上的應(yīng)用Fig.1-2 Application of GLARE in A-320 fuselage孔金屬夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)是指由復(fù)合材料或者金屬覆蓋在多孔金屬表面見圖1-3。其中由復(fù)合材料或金屬形成的面板主要提供結(jié)構(gòu)的抗拉與屬芯層則主要承受橫向剪切載荷，利用其低應(yīng)力平臺(tái)這一特點(diǎn)充分18,19]。這一結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、集多功能于一體等優(yōu)勢，在航交通等領(lǐng)域被廣泛使用見圖1-4。而在這些服役環(huán)境中，結(jié)構(gòu)往往擊、爆炸等極端載荷的作用，因此需要充分了解多孔金屬夾芯復(fù)合下的變形/失效機(jī)制，從而針對(duì)具體的服役環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)究表明，如果對(duì)芯層沿某一方向進(jìn)行梯度化設(shè)計(jì)將可以有效緩解而降低結(jié)構(gòu)的破壞程度，提高其抗沖擊能力[20-22]，因此，以梯度多結(jié)構(gòu)在抗沖擊性能方面具有廣闊的應(yīng)用前景。另一方面，在多孔金計(jì)與應(yīng)用中，其面板主要采用傳統(tǒng)金屬材料，如鋁材、鋼材等，而

太原理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文3圖1-3 典型的夾芯結(jié)構(gòu)Fig.1-3 Typical sandwich structure圖1-4 多孔夾芯結(jié)構(gòu)在不同領(lǐng)域應(yīng)用Fig.1-4 Application of sandwich structure in different fields綜上所述，玄武巖纖維金屬層合板在多樣化、輕量化設(shè)計(jì)，抗沖擊性能等方面有著顯著的優(yōu)勢，關(guān)于其在強(qiáng)動(dòng)載荷下的力學(xué)行為研究是沖擊動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域值得深切關(guān)注的前沿性熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，玄武巖纖維有著不遜于玻璃纖維的高比強(qiáng)度、高比剛度；與碳纖維相比，有著更大的失效應(yīng)變，更好的抗爆炸沖擊加載性能，以及良好的環(huán)境友好性[23]，玄武巖纖維復(fù)合材料作為替代玻璃纖維制品在工程應(yīng)用方面具有巨大的潛力。因此對(duì)玄武巖纖維金屬層合板的抗爆性能及失效機(jī)理研究，以及充分利用纖維-金屬層合結(jié)構(gòu)和梯度多孔金屬各自優(yōu)勢特點(diǎn)，發(fā)展玄武巖纖維層合板以及玄武巖纖維增強(qiáng)梯度多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu)
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 陳琪;關(guān)志東;黎增山;;GLARE層板性能研究進(jìn)展[J];科技導(dǎo)報(bào);2013年07期

2 陳園方;李玉龍;劉軍;劉元鏞;;典型前緣結(jié)構(gòu)抗鳥撞性能改進(jìn)研究[J];航空學(xué)報(bào);2010年09期

3 鄭長良;朱公志;劉文博;王榮國;;碳纖維增強(qiáng)鎂合金層合板及其基本力學(xué)性能[J];材料工程;2007年S1期

本文編號(hào)：2888441