片状钛合金高速冲击CF/BMI层合板的动态毁伤特性研究

作     者：王鑫鑫 

作者单位：沈阳理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐恩凌

授予年度：2023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）] 

主      题：CF/BMI TexGen 数值模拟 正侵彻 斜侵彻 

摘      要：随着碳纤维增强树脂基复合材料的高速发展,其优异的力学性能和可设计性将航空发动机设计转向了非金属、复合材料的超轻型研究方向。对于现代涡扇发动机的高推重比要求而言,在机匣等重要结构部件上,碳纤维复合材料在满足包容性设计要求的前提下,能极大程度地减小发动机机体的重量。然而,现有数值模拟方法中鲜有考虑复合材料层合板的表面编织结构,有必要建立复合材料层合板的细观模型,实现对复合材料层合板抗冲击特性的数值模拟。本文以轻型航空涡扇发动机风扇机匣的包容性设计为研究背景,利用片状钛合金模拟涡扇发动机钛合金风扇叶片失效飞出的碎片作为入射弹体,以航空航天领域常用的碳纤维/双马来酰亚胺(CF/BMI)复合材料层合板为研究对象,采取弹道冲击实验与数值模拟相结合的方法,开展片状钛合金高速冲击CF/BMI层合板的动态毁伤特性研究。本文的主要工作及取得的研究成果如下:(1)分别基于准静态力学拉伸实验、V型缺口梁剪切实验、层合板双切口层间剪切实验、分离式霍普金森压杆实验,测试得到了CF/BMI层合板的部分弹性模量、泊松比、剪切模量和剪切强度等力学性能参数。根据等效力学参数理论推导了层合板的各项力学性能参数,理论计算结果与实验结果吻合较好;同时,对不具备测试条件的力学性能参数进行了相应补充,为数值模拟的材料属性和本构模型提供数据支撑。(2)根据CF/BMI层合板端面放大纤维束图像测得了纱线的实际几何尺寸,利用TexGen对CF/BMI层合板进行了细观建模,并推导了正交各向异性本构方程,基于Fortran环境下的VUMAT子程序接口将Hashin失效准则编译植入作为数值模拟中层合板单元失效的判据。采用有限元软件ABAQUS/Explicit开展了与弹道冲击实验相同工况的正、斜侵彻数值模拟,提取了实验和数值模拟结果中的应变时程曲线、宏观毁伤过程与微观毁伤形貌。基于一级轻气炮构建了层合板弹道冲击实验的加载系统,并利用高速摄像机采集系统、超动态应变仪冲击应变测试系统,采集了不同冲击工况下CF/BMI层合板的动态响应过程,通过靶板动态毁伤响应实验与数值模拟结果的多角度对比,验证了数值模拟方法的可靠性。(3)利用本文建立的有效数值模拟方法,研究了钛合金飞片在不同冲击速度(260m/s、300m/s)、入射弹道角度(45°、60°、90°)、钛合金飞片飞行姿态等因素影响下正、斜侵彻CF/BMI层合板的力学响应和冲击毁伤特性,研究了不同预置参数对层合板包容性抗冲击性能的影响规律。通过分析层合板内部碳纤维铺层和双马来酰亚胺树脂两种组元的动态响应,获得了CF/BMI层合板在片状钛合金高速冲击下的毁伤特性,为涡扇发动机轻质复合材料风扇机匣的设计提供了技术支撑。