复合材料蜂窝夹芯结构鸟撞损伤研究

作     者：霍雨佳 

作者单位：中国民航大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯振宇

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：鸟撞 明胶鸟 参数反演 复合材料蜂窝夹芯结构 损伤分析 

摘      要：复合材料蜂窝夹芯结构作为一种“结构型材料,广泛应用于雷达罩、整流罩、机翼以及尾翼等飞机结构部件中。本文针对复合材料蜂窝夹芯结构鸟撞问题,将明胶鸟作为撞击物,采用空气炮试验方法进行鸟撞试验,基于试验建立并验证有限元模型,分析复合材料蜂窝夹芯结构在鸟撞过程中的动态响应特性和损伤特征。首先,研究了明胶鸟的数值建模方法。利用明胶鸟替代真鸟进行铝板撞击试验,试验过程中明胶鸟呈现类似流体状破碎和前端破裂后残余部分回弹的两种破坏模式;在数值建模中,对第一种破坏模式的明胶鸟选用SPH离散方法和状态方程本构模型,对第二种破坏模式的明胶鸟选用拉格朗日离散方法和带失效的弹塑性本构模型,并分别对其本构参数进行反演,计算结果与试验结果吻合度较高,验证了该建模方法的合理性。随后,开展明胶鸟撞击复合材料蜂窝夹芯平板试验,研究复合材料蜂窝夹芯结构在鸟体撞击下的损伤形式以及撞击速度、蜂窝芯高度、鸟体形状对结构动态响应的影响。获取试验结果,分析复合材料蜂窝夹芯结构在鸟撞冲击后的典型损伤特征,得到相关因素变化对结构动态响应的影响;在撞击过程中,复合材料蜂窝夹芯平板表现出由全局弯曲变形主导和局部变形主导的两种变形模式。基于试验结果,建立复合材料蜂窝夹芯结构鸟撞有限元模型,探讨了层合型复合材料面板和蜂窝芯材的建模方法,通过与试验结果的比较分析,证明了模型的有效性;基于验证的有限元模型,分析在撞击过程中夹芯结构对冲击能量的吸收特性以及能量的耗散途径,结果表明,冲击能量大部分转化为鸟体自身破坏所需的内能,其余部分则转化为夹芯结构破坏与变形所需的内能;并识别出面板纤维铺层方式改变对结构抗冲击性能及吸能效果的影响显著。最后,建立复合材料机翼前缘鸟撞分析的有限元模型,研究了鸟撞冲击下前缘结构中各构件的损伤形式以及冲击能量的耗散途径,并考察不同鸟撞位置对前缘结构动态响应的影响。