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蜂窝夹芯结构低速冲击后压-压疲劳性能研究

复合材料科学与工程 2024年

作者：陈卫东姚凯飞王轩石强斌中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院中国民航大学航空工程学院

利用直径为25.4 mm、38.1 mm和50.8 mm的冲头对玻璃纤维平纹编织面板蜂窝夹芯结构进行1 mm凹坑深度的低速冲击，开展冲击后静态压缩和压-压疲劳试验，研究三种冲头直径下试件的剩余强度、条件疲劳极限、刚度退化、循环蠕变和破坏模式，... 详细信息

利用直径为25.4 mm、38.1 mm和50.8 mm的冲头对玻璃纤维平纹编织面板蜂窝夹芯结构进行1 mm凹坑深度的低速冲击，开展冲击后静态压缩和压-压疲劳试验，研究三种冲头直径下试件的剩余强度、条件疲劳极限、刚度退化、循环蠕变和破坏模式，揭示蜂窝夹芯结构低速冲击后压-压疲劳行为。结果表明：试件静态剩余强度随着冲头直径的增大而减小；当冲头直径为25.4 mm时条件疲劳极限最大，为静态破环载荷的68.1%，当冲头直径为38.1 mm和50.8 mm时，条件疲劳极限在静态破坏载荷的60%左右。循环刚度和循环蠕变均呈现“三阶段”的演变特征，在疲劳寿命期前10%，试件耗散能小幅减小，刚度在高周疲劳中增大，而在低周疲劳中刚度减小，循环蠕变现象显著；在疲劳寿命期90%之前，刚度大小稳定，循环蠕变现象有所减弱；在疲劳寿命期后10%，刚度减小，循环蠕变再次呈现显著的现象。试件的疲劳剩余强度分散性明显大于静态剩余强度分散性；试件在疲劳载荷下的破坏模式与静态载荷下相似。

关键词：复合材料疲劳冲击后压缩蜂窝夹芯结构刚度演化

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复合材料天线结构低速冲击损伤与剩余强度

兵器材料科学与工程 2023年第1期46卷 19-27页

作者：张铁纯连泽伟胡建强戴福洪中国民航大学航空工程学院天津300300 哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室黑龙江哈尔滨150080

共形承载复合材料天线结构兼具力学承载和微波通信功能,由于其高度集成化和多功能化特点,应用前景广阔,但在制造和维修过程中极易受外来物的低能量冲击产生损伤。本文采用热压罐成型和二次胶结工艺制备以玻璃纤维增强复合材料为面板、以... 详细信息

共形承载复合材料天线结构兼具力学承载和微波通信功能,由于其高度集成化和多功能化特点,应用前景广阔,但在制造和维修过程中极易受外来物的低能量冲击产生损伤。本文采用热压罐成型和二次胶结工艺制备以玻璃纤维增强复合材料为面板、以PMI泡沫为芯材并嵌入天线器件的复合材料天线结构。并对其开展低速冲击及冲击后压缩试验研究,对比含天线和不含天线两种结构的损伤特性与冲击后剩余压缩(CAI)强度。结果表明:与普通泡沫夹芯结构相比,复合材料天线结构的凹坑深度、冲击位移和背面纤维束拔出高度均减小,表明损伤阻抗能力增强;峰值载荷显著增加,100 J冲击能量下的峰值载荷为5.79 kN,增加了25.32%;压缩强度和CAI强度显著提高,压缩强度提高了28.87%,CAI强度提高超过113.08%;冲击破坏模式由整体贯穿及芯体大面积断裂变为芯体局部压溃、天线单元塑性变形及与泡沫夹芯大面积脱胶。

关键词：复合材料天线结构低速冲击冲击后压缩动态响应失效机制

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非热压罐预浸料T700SC/#2510层板的低速冲击损伤特性

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玻璃钢／复合材料 2015年第9期 74-76页

作者：孔德拴管国阳中航通飞研究院有限公司珠海519040 南昌大学南昌330031

通过试验研究了一种非热压罐(Out of Autoclave,简称OOA)预浸料T700SC/#2510层压板的低速冲击损伤特性。针对三种典型铺层方案,获得了层压板的凹坑深度-单位厚度冲击能量(d-e)、损伤面积-单位厚度冲击能量(S-e)和冲击后压缩强度-凹坑深... 详细信息

通过试验研究了一种非热压罐(Out of Autoclave,简称OOA)预浸料T700SC/#2510层压板的低速冲击损伤特性。针对三种典型铺层方案,获得了层压板的凹坑深度-单位厚度冲击能量(d-e)、损伤面积-单位厚度冲击能量(S-e)和冲击后压缩强度-凹坑深度(σ-d)曲线,以及三个批次的该OOA预浸料准各向同性层压板在标准冲击能量6.7J/mm下的剩余压缩强度结果。结果表明,T700SC/#2510材料体系冲击表面损伤不明显,但内部损伤却较大;该OOA预浸料的d-e曲线、S-e曲线和σ-d曲线均存在拐点现象;准各向同性铺层可以吸收更高的冲击能量,但也导致了更大的内部分层损伤;该OOA预浸料的CAI强度满足第二代OOA预浸料的指标。

关键词：非热压罐预浸料碳纤维/环氧复合材料低速冲击损伤冲击后压缩

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三维编织复合材料损伤容限性能试验

复合材料学报 2016年第5期33卷 1048-1054页

作者：张迪郑锡涛杨超西北工业大学航空学院西安710072

为研究三维编织复合材料的损伤容限性能,首先,利用同种纤维、基体和工艺分别制作了4种三维编织复合材料和1种层合复合材料;然后,进行了相同复合材料在不同冲击能量下的及不同复合材料在相同冲击能量下的低速冲击试验和冲击后压缩试验;最... 详细信息

为研究三维编织复合材料的损伤容限性能,首先,利用同种纤维、基体和工艺分别制作了4种三维编织复合材料和1种层合复合材料;然后,进行了相同复合材料在不同冲击能量下的及不同复合材料在相同冲击能量下的低速冲击试验和冲击后压缩试验;最后,进行了冲击后的C扫描损伤检测,并对比了冲击后凹坑深度、损伤面积和损伤宽度。结果显示:层合复合材料的损伤形貌主要呈椭圆状,且分层损伤严重,而三维编织复合材料的损伤形貌主要呈十字状,三维编织复合材料的整体性较好;层合复合材料和三维编织复合材料冲击能量的拐点均出现在30J附近;三维编织复合材料的剩余压缩强度较高,其损伤容限性能优于层合复合材料。所得结论可为三维编织复合材料的工程应用提供指导。

关键词：三维编织复合材料损伤容限低速冲击冲击后压缩拐点

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含冲击损伤编织复合材料层压板失效行为

含冲击损伤编织复合材料层压板失效行为

作者：刘杰南昌航空大学

学位级别：硕士

编织复合材料层压板以其比强度高、比模量大、可设计性强等一系列优点在航空航天领域日益得到广泛的应用。但编织复合材料层压板对低速冲击比较敏感，低速冲击易造成基体开裂、分层等内部损伤，而这些内部损伤表面难以察觉，却可能导致... 详细信息

编织复合材料层压板以其比强度高、比模量大、可设计性强等一系列优点在航空航天领域日益得到广泛的应用。但编织复合材料层压板对低速冲击比较敏感，低速冲击易造成基体开裂、分层等内部损伤，而这些内部损伤表面难以察觉，却可能导致严重的事故。因此，对编织复合材料层压板低速冲击过程、冲击失效模式以及冲击损伤对层压板性能影响的研究具有重要意义。以CF3052/5224编织复合材料层压板为研究对象，通过不同能量的低速冲击试验确定了4种损伤等级，并通过冲击后凹坑深度测量、裂纹长度测量、超声C扫描检测、热揭层检测确定了4种能量冲击后层压板的冲击失效模式与失效过程;运用ABAQUS有限元方法对层压板冲击过程进行了模拟;对含4种等级损伤的编织复合材料层压板进行冲击后压缩/弯曲试验，研究不同等级冲击损伤对层压板冲击后压缩/弯曲失效模式的影响，结果表明： 1)在冲击能量接近5.00J·mm-1时，因纤维断裂造成凹坑深度出现明显的拐点。拐点前，层压板内部损伤主要为基体开裂和分层;拐点后，层压板内部纤维发生断裂，基体开裂严重。 2)运用ABAQUS有限元模型模拟冲击过程对层压板造成的内部损伤特征，模拟结果与实验结果相符，证明了该方法研究编织复合材料层压板低速冲击过程是可行的，同时为编织复合材料层压板的设计与应用提供了参考。 3)4种等级损伤的CF3052/5224层压板整板的压缩失效模式均为剪切分层失效，但局部失效特征不同，冲击损伤区域的压缩失效模式为屈曲失效，其余位置失效模式未改变;对于不同能量冲击后层压板，其压缩失效后的屈曲面积随冲击能量的增加而增大。 4)弯曲失效后层压板冲击损伤区域的分层明显多于其他区域，整板失效模式为纯弯曲失效。对于不同损伤等级层压板，冲击损伤区域分层数量随着冲击能量的增加而增加，横向分层扩展面积则逐渐减小;无冲击损伤区域除1J·mm-1能量冲击后试样失效后产生较大的剪切分层裂纹外，其余能量冲击后弯曲层压板断口侧面失效特征相同。

关键词：编织复合材料低速冲击有限元ABAQUS 冲击后压缩冲击后弯曲失效模式

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复合材料夹层板低速冲击及压缩失效研究

复合材料夹层板低速冲击及压缩失效研究

作者：郭静静大连理工大学

学位级别：硕士

夹层板是一种复合材料层合板与低密度芯材粘接而成的多层结构,将二者的优势结合在一起,当承受面外和面内载荷时具有良好的抗弯和抗压稳定性。然而,当夹层板受到异物冲击,特别是低速冲击时,冲击损伤大大降低了结构的剩余强度和刚度。因此... 详细信息

夹层板是一种复合材料层合板与低密度芯材粘接而成的多层结构,将二者的优势结合在一起,当承受面外和面内载荷时具有良好的抗弯和抗压稳定性。然而,当夹层板受到异物冲击,特别是低速冲击时,冲击损伤大大降低了结构的剩余强度和刚度。因此,有必要研究复合材料夹层板在低速冲击下的力学行为,特别是冲击后压缩失效行为。本文开展了夹层板低速冲击和冲击后压缩的实验分析,并在ABAQUS有限元软件基础上进行了数值仿真分析,同时用Cohesive单元来模拟面板和夹芯之间的脱粘失效,讨论了面板在冲击和冲击后压缩的损伤扩展行为。此外,本文还开展了帽形加筋板的低速冲击实验和数值分析。首先,对泡沫夹层板进行了不同能量的低速冲击实验和数值仿真。通过实验获得其冲击损伤形貌、损伤尺寸和损伤的分布。分析了冲击能量和夹芯类型等因素对损伤的影响,结果发现,凹坑深度和面积都随着冲击能量的增大而变大,R型泡沫夹层板的抗冲击性能较P型泡沫夹层板略差,吸收的冲击能量分别为23.51%和21.73%。在低速冲击过程中,泡沫在结构中主要起到吸收能量的作用,外面板作为夹层结构主要的承力部件,直接获得冲击力并发生大面积的损伤。在与冲击头接触的地方,损伤形状大致呈椭圆形,类似于实验中的破坏形状。其次,对泡沫夹层板进行了冲击后压缩实验和数值仿真。与P型泡沫夹层结构相比,R型泡沫夹层结构的整体承载能力较低。电测和光学测量发现,夹层板在轴向压缩过程中没有局部屈曲发生。数值模拟的结果和实验结果之间的一致性较好,试件冲击后的剩余压缩强度都显示出了不同程度的降低。夹层板在冲击后压缩的破坏机理为:冲击凹坑在压缩过程中沿横向发生扩展,且在扩展过程中宽度基本保持不变,在最终试件发生破坏时,损伤几乎贯穿整个面板。在凹坑扩展的过程中,面板受到较大的横向弯曲,这超出了面板在负载方向上的最大压缩应变,最终导致面板发生断裂从而使整个结构失去承载能力。最后,对加筋板进行了低速冲击实验和数值仿真。在泡沫芯区域冲击时破坏区域呈圆形,而在非泡沫区域冲击时破坏形状呈菱形分布;且在相同能量下,加筋板在泡沫芯区域冲击处吸收了约39%的冲击能量,要低于非泡沫芯区域。在壁板区域冲击时应力云图的分布为以冲击点为对称中心的花生壳状分布,应力波基本没有传递到筋条上。在泡沫芯区域冲击时应力云图的分布为以冲击点为对称中心沿着±45°对称分布,应力波被大范围地传递到了筋条上。

关键词：复合材料夹层板低速冲击冲击后压缩数值模拟

含冲击损伤碳/环氧层合板螺栓修理的实验与数值研究

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含冲击损伤碳/环氧层合板螺栓修理的实验与数值研究

作者：王遥武汉理工大学

学位级别：硕士

先进复合材料结构在服役过程中易受到低速冲击作用,且其冲击后损伤多表现为目视勉强不可见损伤。复合材料在低速冲击作用下损伤机理复杂,力学性能下降明显,特别是冲击后压缩（Compression After Impact,CAI）性能。冲击后压缩性能是复... 详细信息

先进复合材料结构在服役过程中易受到低速冲击作用,且其冲击后损伤多表现为目视勉强不可见损伤。复合材料在低速冲击作用下损伤机理复杂,力学性能下降明显,特别是冲击后压缩（Compression After Impact,CAI）性能。冲击后压缩性能是复合材料结构安全性能评估与损伤容限定义的重要指标。除此之外,如何恢复含冲击损伤复合材料的承载能力,是复合材料研究者不可回避的问题。螺栓修理是恢复含冲击损伤复合材料承载能力的可靠修理手段之一,其修补效率是大家关注的重点。本文开展了碳纤维增强塑料（Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP）冲击损伤模式、剩余压缩承载能力以及螺栓修补效率的研究,主要的研究内容以及结果如下:1)采用热压罐固化成型工艺制备CFRP层合板,进行三种能量（即:9、15和30J）的落锤冲击实验。采用目视检测、超声C扫描、横截断面形貌观测以及揭层法对冲击损伤进行表征。结果表明:随着冲击能量的增大,冲击后的损伤程度随之增大;在三种能量的冲击下,除了冲击点出呈现轻微的凹坑,其余部位均未出现其它可视损伤;在复合材料内部存在大量的分层损伤,分层损伤大多出现在冲击背面;揭层法结果显示分层损伤主要呈现为双扇形,与纤维的铺设夹角有关。2)开展含低速冲击损伤层合板的压缩实验与数值仿真研究。实验方面,参照ASTM D7137标准进行压缩实验,通过DIC监测层合板的面外变形。数值仿真方面,建立基于揭层法分层损伤形态的有限元模型,利用ABAQUS显式动力学分析模块模拟了准静态压缩过程。实验结果表明,9、15和30J所对应的层合板剩余压缩承载力依次递减。层合板的冲击位置在压缩过程中发生屈曲,最终屈曲区域向横向扩展,层合板瞬间失效。数值仿真结果与实验结果吻合良好。数值仿真结果表明,层合板正反两面不同的压缩破坏形式是由于其分层面积不同导致的。对压缩破坏机理进行分析可知,屈曲的产生使碳纤维失去压缩承载能力,使得层内应力重新分配,屈曲边缘应力较大,促进屈曲的横向扩展,导致最终破坏。3)开展含低速冲击损伤层合板的单螺栓修理压缩实验与数值仿真研究。实验方面,在层合板冲击损伤中心位置采用螺栓进行紧固,并按照ASTM D7137标准进行压缩实验,采用DIC监测层合板面外变形。数值仿真方面,利用ABAQUS显式动力学分析模块对螺栓修复的冲击后层合板准静态压缩过程进行模拟。实验结果表明,螺栓可以一定程度上抑制局部屈曲的出现和分层损伤的扩展,从而获得较好的修复效果。冲击损伤和单螺栓的引入未对CFRP层合板的初始刚度产生显著影响,仅对其失效强度有较大影响;数值仿真结果与实验结果吻合良好。数值结果表明,螺栓的引入使得层间法向拉伸应力得到有效抑制,应力在层内进行重新分配,抑制了局部屈曲引起的分层损伤快速扩展,提高了含冲击损伤层合板的承载能力。

关键词：复合材料低速冲击损伤冲击后压缩螺栓修理

复合材料-金属胶接结构多次冲击损伤模拟与试验研究

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复合材料-金属胶接结构多次冲击损伤模拟与试验研究

作者：魏砚泽哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)作为先进复合材料的代表,具有高比刚度、高比强度、可设计性好等优点并被广泛应用于人们生产生活中的诸多领域。对于复合材料承载结构,为了对其进行防护,有时需要在其表面胶接金属层,此时复合材料与金... 详细信息

碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)作为先进复合材料的代表,具有高比刚度、高比强度、可设计性好等优点并被广泛应用于人们生产生活中的诸多领域。对于复合材料承载结构,为了对其进行防护,有时需要在其表面胶接金属层,此时复合材料与金属的胶接界面也成为了新的强度考核区;而对于这样的复合材料承载结构,其所承载的次数可能不止一次,因此对复合材料层合板在多频次的冲击载荷下的力学性能进行研究也十分有必要。本文以T700/3234型复合材料单向板为研究对象,对复合材料层合板、复合材料层合板-金属胶接结构在不同冲击能量、不同冲击次数下的损伤机理和失效模式以及冲击后剩余压缩强度开展了相关研究。首先针对复合材料层合板、复合材料层合板-金属胶接结构进行了单次冲击损伤研究。利用Abaqus有限元软件分别采用二维Hashin准则与达索公司开发的VUMAT子程序进行不同能量的单次冲击损伤模拟,研究了10J和20J冲击能量对两类结构中层合板性能的影响。同时结合红外无损检测技术进行冲击损伤试验,通过试验结果与仿真分析结果对比,探讨了模型的准确性。然后针对复合材料层合板进行了多次冲击损伤研究。利用Abaqus有限元软件中的重启动分析模块实现对冲击后层合板损伤状态的保留,对层合板进行了多次冲击损伤模拟。经模拟发现随着冲击次数的增加,层合板损伤区域的范围和深度呈增长趋势,但增长率逐渐减小。同时对复合材料层合板进行了多次冲击试验与红外无损检测,与仿真结果进行对比发现二者具有较好的一致性。最后对几种工况下试验件的冲击后剩余压缩强度进行了模拟和试验研究。利用Abaqus重启动分析模块建立了冲击后压缩有限元模型,分别对无损试验件、复合材料层合板20J单次冲击试验件、复合材料层合板-金属胶接结构20J单次冲击试验件、复合材料层合板20J多次冲击试验件的冲击后剩余压缩强度开展了仿真分析研究。随后结合压缩试验与红外无损检测技术实现对模型精确性的验证。

关键词：复合材料-金属胶接结构多次冲击损伤模拟冲击后压缩剩余强度

含减纱碳/环氧2.5D机织复合材料低速冲击性能及损伤机制

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含减纱碳/环氧2.5D机织复合材料低速冲击性能及损伤机制

作者：窦宏通江南大学

学位级别：硕士

2.5D机织复合材料因其优异的力学性能、灵活的结构设计性和整体近净成形能力,被广泛应用于航天发动机喷管、航天天线罩和航空发动机燃烧室火焰筒等锥形回转体部件。其中,加减纱工艺是实现锥形回转体预制体成形的核心技术,但加减纱的引... 详细信息

2.5D机织复合材料因其优异的力学性能、灵活的结构设计性和整体近净成形能力,被广泛应用于航天发动机喷管、航天天线罩和航空发动机燃烧室火焰筒等锥形回转体部件。其中,加减纱工艺是实现锥形回转体预制体成形的核心技术,但加减纱的引入会造成局部结构变异甚至缺陷。重要的是,这些部件在制备和服役过程中,难免会遭受低速冲击载荷,而加减纱区域所引起的损伤起始和演化尚未明确,严重影响构件后续服役的可靠性。本文以2.5D机织复合材料锥形回转体实际应用为牵引,设计和制备了不含减纱、含半列减纱和含整列减纱的2.5D机织复合材料,采用试验和数值计算相结合的方法,重点开展了低速冲击力学性能、渐进损伤和损伤机理研究,以期为锥形回转体的结构设计和应用提供数据支撑。本文的主要研究内容及结论包括:(1)设置冲击能量为54J和72J,利用落锤冲击仪对不含减纱、含半列减纱和含整列减纱的2.5D机织复合材料进行了低速冲击试验,获取了载荷-时间曲线、载荷-位移曲线、能量-时间曲线以及关键力学特征值。分别利用光学显微镜和X射线计算机断层扫描(Micro-CT)技术对冲击后试样的表面及内部损伤进行了分析,阐明了三种试样的冲击损伤机制。研究表明,减纱会小幅降低2.5D机织复合材料的低速冲击性能,含半列减纱试样的力学性能保留率比含整列减纱试样高3%。在相同的冲击能量下,含整列减纱试样的损伤程度最严重。此外,不含减纱试样的破坏形式以纱线与基体的脱粘为主,含半列减纱试样破坏形式是以剩余的半列接结经纱断裂为主,而含整列减纱试样的破坏形式则是以大面积的分层和剪切破坏为主。(2)基于低速冲击“局部”破坏特征和Micro-CT图像扫描结果,采用理想化建模的方法建立了不含减纱和含减纱的2.5D机织复合材料宏-细观混合有限元模型。使用ABAQUS有限元软件,选用三维Hashin准则、Von-Mises准则以及最大应力准则,并采用刚度折减的损伤演化方法,开展了2.5D机织复合材料的低速冲击数值计算,进一步理清了低速冲击渐进损伤过程。结果表明,所建立的宏-细观混合有限元模型可以准确地模拟出2.5D机织复合材料的低速冲击力学响应曲线、宏观损伤形貌和细观损伤分布区域。并且,在低速冲击过程中,纱线减少区域的基体会承受更高的应力水平。(3)结合数字图像相关(DIC)技术,利用万能试验机对不含减纱、含半列减纱和含整列减纱三种试样进行了冲击后压缩试验,获取了载荷-位移曲线、剩余强度、全场应变渐进分布及损伤模式。研究表明,减纱会小幅降低试样的压缩强度,由于低速冲击产生的损伤体积差异,在54J和72J冲击能量下含半列减纱试样的剩余强度分别比含整列减纱试样高11.8%和4%。此外,未冲击试样的压缩损伤随机分布,而冲击后试样的压缩损伤则集中在冲击中心两侧。不含减纱、含半列减纱以及含整列减纱试样的渐进损伤过程类似,都表现为率先在冲击损伤区域产生大的应力集中并逐渐呈线性往试样边缘区域延伸。

关键词： 2.5D机织复合材料减纱低速冲击性能数值模拟冲击后压缩