【摘要】：隨著先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展和成本的降低,從飛行器的次結(jié)構(gòu)件到主結(jié)構(gòu)件,復(fù)合材料得到越來越廣泛的應(yīng)用。為了解金屬-復(fù)合材料雙層壁結(jié)構(gòu)受到冰雹沖擊后的損傷特性,本文采用2a12鋁合金平板及T700/TDE-85復(fù)合材料層合板組成的雙層壁結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象開展了試驗(yàn)與數(shù)值模擬工作,并研究了不同參數(shù)對(duì)雙層壁結(jié)構(gòu)抗冰沖擊性能的影響。本文主要研究?jī)?nèi)容包括:(1)針對(duì)金屬-復(fù)合材料雙層壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了冰球高速?zèng)_擊試驗(yàn)。采用空氣炮系統(tǒng)對(duì)雙層壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行4個(gè)沖擊能量級(jí)別的冰球高速?zèng)_擊試驗(yàn),通過高速攝影儀和位移傳感器記錄了冰球的沖擊過程以及試驗(yàn)件的響應(yīng)過程,比較了不同沖擊速度下雙層板撞擊點(diǎn)的位移和撞擊點(diǎn)凹坑深度的變化規(guī)律,并采用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)層合板進(jìn)行內(nèi)部損傷檢測(cè),發(fā)現(xiàn)鋁合金平板的主要損傷形式為局部鼓包,復(fù)合材料層合板的主要損傷形式為分層損傷,采用各向同性鋪層層合板的試驗(yàn)件具有較好的抗冰球沖擊性能。(2)通過有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)冰球高速?zèng)_擊試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值仿真分析,采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體網(wǎng)格建立試驗(yàn)件模型,鋁板采用Johnson-Cook損傷模型,層合板采用基于Hashin失效準(zhǔn)則的連續(xù)損傷模型,層合板的各層之間引入內(nèi)聚力單元模型來模擬層合板的層間損傷。此外,使用SPH方法建立了冰球有限元模型,并采用冰的應(yīng)變率相關(guān)材料模型。通過與冰球沖擊試驗(yàn)對(duì)比撞擊中心位移-時(shí)間曲線、鋁合金平板變形曲線以及層合板的分層損傷形貌,驗(yàn)證了模型的有效性。(3)應(yīng)用經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的有限元模型,改變冰球沖擊能量、金屬板厚度、壁板間距以及層合板的鋪層方式,研究不同參數(shù)對(duì)雙層壁結(jié)構(gòu)的抗冰沖擊響應(yīng)與損傷的影響規(guī)律。本文通過對(duì)金屬-復(fù)合材料雙層壁結(jié)構(gòu)冰沖擊損傷與仿真分析方法的研究,獲得了雙層壁結(jié)構(gòu)在冰載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與損傷規(guī)律,為今后金屬-復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。
【圖文】：

為了降低構(gòu)件重量，逐漸采用復(fù)合材料層合板來替代鋁合金內(nèi)壁。本文針對(duì)金屬-復(fù)合材料雙層壁結(jié)構(gòu)開展冰球高速?zèng)_擊試驗(yàn)與數(shù)值模擬的研究，并通過有限元模型來研究雙層壁結(jié)構(gòu)受沖擊能量、壁板厚度等因素的影響規(guī)律，為今后雙層壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬-復(fù)合材料雙層壁結(jié)構(gòu)的抗沖擊損傷問題的研究很少，而鋁合金作為一種各向同性的金屬材料，對(duì)其力學(xué)性能的研究已經(jīng)比較成熟。因此本節(jié)主要介紹復(fù)合材料層合板受沖擊后的損傷與仿真分析以及冰沖擊復(fù)合材料層合板的相關(guān)研究。1.2.1 復(fù)合材料層合板沖擊損傷及仿真分析研究復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的沖擊損傷問題一直是國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)[6]，早期的研究主要采取試驗(yàn)法進(jìn)行，，通過擺錘沖擊試驗(yàn)、落錘沖擊試驗(yàn)和空氣炮打靶試驗(yàn)等依次完成低速、中速和高速外物沖擊試驗(yàn)來分別模擬真實(shí)環(huán)境下復(fù)合材料受到的不同類型的沖擊。由于復(fù)合材料層合板的各向異性以及非均勻性等因素的影響，在受到?jīng)_擊載荷后可能會(huì)出現(xiàn)多種損傷模式，包括纖維斷裂，基體開裂、分層等其他幾種混合失效模式，如圖 1.2 所示。

2.1 引言復(fù)合材料具有優(yōu)異的比強(qiáng)度和比剛度，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)替代部分鋁合金結(jié)構(gòu)，比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)粒子分離器渦殼中的金屬-復(fù)合材料雙層壁結(jié)構(gòu)。飛機(jī)在飛行過程中雙層壁構(gòu)件會(huì)遭受到冰雹高速?zèng)_擊并造成不同形式的損傷，降低了復(fù)合構(gòu)件的剛度與強(qiáng)度，會(huì)對(duì)飛機(jī)的飛行安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此研究雙層壁結(jié)構(gòu)在冰球載荷下的沖擊損傷模式是有意義的。本章針對(duì)金屬-復(fù)合材料雙層壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了冰球高速?zèng)_擊試驗(yàn)，通過高速攝影儀和位移傳感器記錄了結(jié)構(gòu)受冰球沖擊過程中的響應(yīng)過程，比較了不同沖擊速度下雙層板撞擊點(diǎn)的位移和撞擊點(diǎn)凹坑深度的變化規(guī)律，并采用非破壞性技術(shù)對(duì)層合板進(jìn)行損傷探測(cè)，分析不同沖擊能量下層合板的損傷模式以及鋪層方式對(duì)雙層壁結(jié)構(gòu)抗冰球沖擊性能的影響。2.2 試驗(yàn)設(shè)備高速?zèng)_擊試驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院完成，所用的試驗(yàn)設(shè)備及結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2.1 所示，試驗(yàn)設(shè)備主要包括空氣炮系統(tǒng)、高速攝影儀、位移傳感器、計(jì)算機(jī)、夾具及防護(hù)裝置等。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V250;V214

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本文編號(hào)：2683412