【摘要】：隨著先進復合材料制造技術的發(fā)展和成本的降低,從飛行器的次結構件到主結構件,復合材料得到越來越廣泛的應用。為了解金屬-復合材料雙層壁結構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復合材料層合板組成的雙層壁結構作為研究對象開展了試驗與數(shù)值模擬工作,并研究了不同參數(shù)對雙層壁結構抗冰沖擊性能的影響。本文主要研究內容包括:(1)針對金屬-復合材料雙層壁結構進行了冰球高速沖擊試驗。采用空氣炮系統(tǒng)對雙層壁結構進行4個沖擊能量級別的冰球高速沖擊試驗,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件的響應過程,比較了不同沖擊速度下雙層板撞擊點的位移和撞擊點凹坑深度的變化規(guī)律,并采用無損檢測技術對層合板進行內部損傷檢測,發(fā)現(xiàn)鋁合金平板的主要損傷形式為局部鼓包,復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對冰球高速沖擊試驗進行數(shù)值仿真分析,采用八節(jié)點實體網格建立試驗件模型,鋁板采用Johnson-Cook損傷模型,層合板采用基于Hashin失效準則的連續(xù)損傷模型,層合板的各層之間引入內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,并采用冰的應變率相關材料模型。通過與冰球沖擊試驗對比撞擊中心位移-時間曲線、鋁合金平板變形曲線以及層合板的分層損傷形貌,驗證了模型的有效性。(3)應用經過試驗驗證的有限元模型,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)對雙層壁結構的抗冰沖擊響應與損傷的影響規(guī)律。本文通過對金屬-復合材料雙層壁結構冰沖擊損傷與仿真分析方法的研究,獲得了雙層壁結構在冰載荷下的動態(tài)響應與損傷規(guī)律,為今后金屬-復合材料組合結構的設計提供了參考依據(jù)。
【圖文】：

為了降低構件重量，逐漸采用復合材料層合板來替代鋁合金內壁。本文針對金屬-復合材料雙層壁結構開展冰球高速沖擊試驗與數(shù)值模擬的研究，并通過有限元模型來研究雙層壁結構受沖擊能量、壁板厚度等因素的影響規(guī)律，為今后雙層壁結構的設計提供參考依據(jù)。1.2 國內外研究現(xiàn)狀由于國內外對金屬-復合材料雙層壁結構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，對其力學性能的研究已經比較成熟。因此本節(jié)主要介紹復合材料層合板受沖擊后的損傷與仿真分析以及冰沖擊復合材料層合板的相關研究。1.2.1 復合材料層合板沖擊損傷及仿真分析研究復合材料層合板結構的沖擊損傷問題一直是國內外的研究重點[6]，早期的研究主要采取試驗法進行，，通過擺錘沖擊試驗、落錘沖擊試驗和空氣炮打靶試驗等依次完成低速、中速和高速外物沖擊試驗來分別模擬真實環(huán)境下復合材料受到的不同類型的沖擊。由于復合材料層合板的各向異性以及非均勻性等因素的影響，在受到沖擊載荷后可能會出現(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 引言復合材料具有優(yōu)異的比強度和比剛度，在航空發(fā)動機上已經替代部分鋁合金結構，比如航空發(fā)動機粒子分離器渦殼中的金屬-復合材料雙層壁結構。飛機在飛行過程中雙層壁構件會遭受到冰雹高速沖擊并造成不同形式的損傷，降低了復合構件的剛度與強度，會對飛機的飛行安全產生嚴重影響，因此研究雙層壁結構在冰球載荷下的沖擊損傷模式是有意義的。本章針對金屬-復合材料雙層壁結構進行了冰球高速沖擊試驗，通過高速攝影儀和位移傳感器記錄了結構受冰球沖擊過程中的響應過程，比較了不同沖擊速度下雙層板撞擊點的位移和撞擊點凹坑深度的變化規(guī)律，并采用非破壞性技術對層合板進行損傷探測，分析不同沖擊能量下層合板的損傷模式以及鋪層方式對雙層壁結構抗冰球沖擊性能的影響。2.2 試驗設備高速沖擊試驗在南京航空航天大學能源與動力學院完成，所用的試驗設備及結構示意圖如圖 2.1 所示，試驗設備主要包括空氣炮系統(tǒng)、高速攝影儀、位移傳感器、計算機、夾具及防護裝置等。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V250;V214

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本文編號：2683412