铝蜂窝复合材料夹芯板的抗低速冲击性能研究

作     者：赵致霆 

作者单位：大连交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：石姗姗;项盼

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：夹芯结构 界面增韧 低速冲击 设备舱底板 

摘      要：碳纤维/铝蜂窝夹芯结构因轻质、高强、耐疲劳和可设计性强等优点已广泛应用在航空航天、轨道车辆和船舶等领域中。由于碳纤维/铝蜂窝夹芯结构受到冲击载荷后其面-芯界面易发生损伤,影响结构的整体力学性能,引发结构破坏甚至失效,这在工程应用中将严重影响结构安全。本论文对界面未增韧与Kevlar短纤维界面增韧碳纤维/铝蜂窝夹芯板在低速冲击下的力学响应和损伤失效行为进行研究,并对界面增韧后的夹芯板进行了冲击性能影响因素的分析,主要的工作内容如下:首先,对界面未增韧与Kevlar短纤维界面增韧碳纤维/铝蜂窝夹芯板进行三种冲击能量(10J、20J、30J)下的低速冲击实验。基于Cohesive内聚力本构模型和内置VUMAT子程序,建立了与实验相对应的低速冲击有限元模型,并将仿真结果与实验结果进行对比,验证了仿真模型的有效性。其次,讨论了短纤维界面增韧对夹芯板低速冲击性能的影响。通过对比研究界面未增韧与增韧夹芯板的冲击响应、上面板的损伤面积和夹芯板的损伤深度,发现随着冲击能量的增大上面板的损伤面积和夹芯板的损伤深度逐渐增大,但是在同一冲击能量下界面增韧夹芯板的损伤程度均小于未增韧夹芯板,说明短纤维界面增韧可提高夹芯板的冲击损伤阻抗。然后,讨论了面板的铺层数量、铺层角度和玻璃纤维混杂对界面增韧碳纤维/铝蜂窝夹芯板抗冲击性能的影响。结果表明,增加铺层数量可以提高夹芯板的刚度;在讨论的五种铺层方式中,[0/45/90/-45/0/45]的铺层方式体现出了最佳的抗冲击性能;玻/碳混杂可提升面板的韧性,玻璃纤维混杂的最佳方式为层间混杂。最后,建立了界面增韧碳纤维/铝蜂窝夹芯结构设备舱底板的低速冲击有限元模型,对其进行了不同冲击角度下的低速冲击仿真分析。结果表明,越是接近冲头的铺层其材料损伤程度越大;冲击角度对冲击力的峰值载荷影响不大;相较于0°冲击,冲击角度分别为15°、30°、45°和60°时,上面板会出现更大范围铺层内的材料损伤。