CFRP层合板在低速冲击下损伤的实验研究

作     者：李毅 

作者单位：北京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭保桥

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：碳纤维增强复合材料 低速冲击损伤 光学反射法 红外热成像检测 

摘      要：碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)以其优异的性能,在航空航天等领域被广泛地应用,但是由于其抗冲击性能差,尤其在低速冲击作用下,复合材料层合板的承载能力会被严重削弱,材料结构内部产生一定程度的损伤,如基体开裂、分层和纤维断裂等。不同形式的损伤之间相互作用,会进一步加重材料的破坏,这些内部损伤无法得到及时的检测和维修,很大程度上影响了结构的安全性。本文主要基于光学变形场测量方法,以碳纤维增强复合材料为研究对象进行了低速冲击实验,探讨了不同冲击能量作用下对不同铺层顺序的CFRP层合板损伤的影响。主要从以下几方面开展了研究:(1)搭建了高灵敏度的薄板弯曲变形测量实验平台,测量得到CFRP层合板在微小力加载条件下的转角场、曲率场和离面位移场,与数值模拟结果进行了比对分析,说明了该方法的可靠性。基于虚场方法反演同时得到了材料的多个弯曲弹性参数。(2)采用自由落体式落锤冲击实验装置对三种不同铺层的层合板进行了不同能量的冲击实验,结合低速冲击产生的主要失效模式,通过目视检测对损伤做出初步评估,获得不同冲击能量下层合板的冲击凹坑深度和背面基体裂纹开裂长度。基于高速摄影技术,分析了多次冲击下层合板的吸能效率。(3)分别采用光学变形场测量技术和红外热成像检测技术,对损伤的复合材料层合板进行损伤检测,结合两种检测手段的结果,得出不同铺层层合板的主要损伤形式和特点。认为复合材料在低速冲击下的主要损伤形式为层间分层,并伴有基体裂纹和纤维断裂等损伤;复合材料低速冲击损伤主要集中在冲击点附近和冲击正下方的背面,其背面的损伤往往要大于冲击面,因此,发生冲击损伤结构的检测重点应放在冲击点周围和冲击背面。