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缝合泡沫夹芯复合材料多次低速冲击性能研究

缝合泡沫夹芯复合材料多次低速冲击性能研究

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作者：罗志强南昌大学

学位级别：硕士

传统泡沫夹芯结构复合材料具有轻质、高强、高比强度、高比模量、隔音隔热以及良好的抗冲击性能等优势,被广泛应用于航空航天、海洋工程、医疗器械等领域。但在实际应用中,制品难免受到多次低速冲击的影响,例如海浪拍打、冰雹以及碎石... 详细信息

传统泡沫夹芯结构复合材料具有轻质、高强、高比强度、高比模量、隔音隔热以及良好的抗冲击性能等优势,被广泛应用于航空航天、海洋工程、医疗器械等领域。但在实际应用中,制品难免受到多次低速冲击的影响,例如海浪拍打、冰雹以及碎石撞击等,易凸显出泡沫夹芯结构阻抗低、易分层的缺陷,严重影响制品的使用寿命以及安全性能。故,在厚度方向引入缝线提升制品的层间性能以及抗冲击韧性。本文针对缝合/未缝合泡沫夹芯结构复合材料进行了不同能量下的多次低速冲击试验、损伤面板无损检测以及拐点曲线的数学公式拟合。本文主要研究内容包括:(1)不同冲击次数下缝合/未缝合泡沫夹芯结构复合材料低速冲击试验研究。采用真空辅助传递模塑(VARTM)工艺制备制备了铺层为【45/-45/0/90】的缝合/未缝合碳纤维泡沫夹芯结构复合材料,对同种类型试件进行不同冲击次数下的冲击试验,并利用Micro-CT、深度计对不同冲击次数下的试样进行无损检测,揭示在15J冲击能量下不同冲击次数下缝合/未缝合的低速冲击损伤及结构动力学演变状态。对15J冲击能量下多次冲击缝合/未缝合泡沫夹芯结构复合材料损伤阻抗进行了研究。结果表明:在15J的冲击能量下,面板层间损伤从冲击表面至材料内部主要损伤模式不同,其损伤面积呈递增状,靠近泡沫的第7～8的层间分层所带来的损伤面积最大。此外,缝线树脂柱能够有效提升泡沫夹芯结构的抗冲击性能,与未缝合相比,缝合碳纤维泡沫夹芯结构复合材料在相同冲击次数下的残余最大冲击载荷的提升幅度为33.4%～48.1%。(2)不同冲击能量下的缝合/未缝合泡沫夹芯结构复合材料的冲击行为、损伤阻抗和损伤容限试验研究。采用10J、15J、20J冲击能量对复合材料进行不同冲击次数下的冲击行为研究,获得不同冲击次数下的冲击载荷与时间、位移历史曲线图、吸收能量与时间关系曲线、凹坑深度及层间损伤面积;并获得了不同冲击能量下凹坑深度、层间损伤面积与冲击次数的关系。分析了不同冲击能量下缝线树脂柱对泡沫夹芯结构的作用机理。结果表明:在10J的冲击能量下,除靠近泡沫的第7～8的层间分层所带来的损伤面积最大,其纤维面板内部层间损伤面积逐渐递减,缝合纤维面板损伤面积大于未缝合结构;在20J的冲击能量下,碳纤维泡沫夹芯结构层间损伤面积由表面至底部逐渐增加,缝合结构损伤面积大于未缝合结构,不同层间损伤值差距较小。随着能量的增加,纤维面板以及层间损伤破坏速率增加,突破拐点之后,缝合/未缝合结构的的凹坑深度差值增大。

关键词：泡沫夹芯结构多次低速冲击 Micro-CT扫描损伤阻抗损伤容限拐点

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蜂窝夹芯板多次低速冲击损伤及压缩剩余强度实验研究

蜂窝夹芯板多次低速冲击损伤及压缩剩余强度实验研究

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作者：俎政山东理工大学

学位级别：硕士

蜂窝夹芯板具有较高的比强度和比刚度,广泛应用于各种工程领域。在蜂窝板服役期间,常受到不同形式的冲击,如船舶行驶中遭受海水的冲击、维修设备时受到扳手坠落的冲击。冲击事件导致蜂窝板的剩余强度明显降低。国内外学者对单次冲击蜂... 详细信息

蜂窝夹芯板具有较高的比强度和比刚度,广泛应用于各种工程领域。在蜂窝板服役期间,常受到不同形式的冲击,如船舶行驶中遭受海水的冲击、维修设备时受到扳手坠落的冲击。冲击事件导致蜂窝板的剩余强度明显降低。国内外学者对单次冲击蜂窝板的研究较多,而对多次冲击蜂窝板的研究较少。本文以蜂窝夹芯板为研究对象,对其多次低速冲击、准静态压痕和压缩剩余强度进行了研究。主要内容如下:蜂窝夹芯板多次低速冲击实验研究。使用冲击试验机对蜂窝板的同一区域进行不同能量、不同频次的冲击实验。分析多次冲击损伤和冲击过程中的力学响应。实验表明,单次冲击中,随着冲击能量的增加,冲击的损伤也在增大。当蜂窝板未被穿透时,随着冲击能量的增加,最大接触力也在增加。多次冲击中,蜂窝板第一次冲击的加载刚度最小。总冲击能量相同时,冲击次数越少,蜂窝板的损伤越大。单次和多次冲击中,蜂窝板都显示出很好的吸能效果。蜂窝夹芯板多次低速冲击仿真模拟。使用ABAQUS仿真软件对多次冲击进行仿真模拟。仿真结果表明,当蜂窝板面板无断裂损伤时,仿真效果较好,当蜂窝板出现较大断裂损伤时,仿真结果与实验值有较大差异。蜂窝夹芯板准静态压痕实验研究。以冲击后的凹坑深度为损伤参数,使用准静态压痕的方法对蜂窝板进行加载,制备具有相同凹坑深度的蜂窝板。对比相同凹坑深度下,冲击和准静态两者的损伤。分析准静态压痕过程中的力学响应,并对准静态压痕进行仿真模拟。采用数字图像相关方法观察下表面的应变和位移的变化。实验表明,相同凹坑深度下,准静态压痕导致的蜂窝板损伤大于冲击导致的损伤。准静态压痕中蜂窝板出现破损时吸收的能量小于冲击中出现破损时吸收的能量。仿真模拟结果与实验结果吻合度较高。蜂窝板凸起部分的应变以拉应变为主。相同时间间隔内,蜂窝板凸起的位移增量小于压头下降的位移增量。冲击与准静态压痕的剩余强度对比。通过剩余强度实验,对比相同凹坑深度下蜂窝板的平均剩余强度。通过数字图像相关方法对压缩过程中蜂窝板凹坑和凸起处的应变进行观察。实验表明,相同凹坑深度下,由于准静态压痕的损伤大于冲击的损伤,准静态压痕的平均剩余强度小于冲击的平均剩余强度。凹坑处在压缩方向的应变变化随着力的增加而增大,凸起处越大,凸起处的应变变化越明显。

关键词：蜂窝夹芯板多次低速冲击准静态压痕数字图像相关剩余强度

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复合材料层合板低速冲击有限元模拟分析

复合材料层合板低速冲击有限元模拟分析

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作者：贾雪芳哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

复合材料结构在制备和服役期间经常遭到各种意外载荷的冲击作用,特别是各类低能量载荷的冲击,从而在结构内部就会产生目视不可见的损伤,这类损伤常常削弱了层合板结构的力学性能,导致结构的承载能力和使用寿命都大幅度下降。因此评价复... 详细信息

复合材料结构在制备和服役期间经常遭到各种意外载荷的冲击作用,特别是各类低能量载荷的冲击,从而在结构内部就会产生目视不可见的损伤,这类损伤常常削弱了层合板结构的力学性能,导致结构的承载能力和使用寿命都大幅度下降。因此评价复合材料结构的抗冲击性能以及预测相应的冲击损伤对其安全评估十分重要。本文利用ABAQUS有限元软件创建复合材料层合板低速冲击时材料损伤的预报模型,调用损伤准则和刚度衰减的用户材料子程序VUMAT,预报多次低速冲击情况下,层合板的损伤累积过程。主要研究内容如下所示:(1)针对某经典铺层的复合材料层合板开展摆锤低速冲击试验研究。主要工作包括复合材料层合板的制备,层合板的相关力学参数的测试以及摆锤低速冲击。在冲击试验中利用动态应变分析系统采集冲击正面的应变值,在试验后利用超声波扫描显微镜检测承受低能量冲击载荷的层合板层间分层脱粘面积,并在冲击后的层合板试件中取一部分试件进行相同能量的多次冲击,分析层合板在多次冲击下的应变状态和损伤扩展情况。(2)通过编写用户材料子程序VUMAT建立三维有限元模型,模拟分析复合材料层合板低速冲击损伤累积过程。建模时,在VUMAT中引用经典的H-R(Hashin-Rotem)失效准则判断层合板组分材料的损伤,调入模型计算。并且在ABAQUS中,利用重启动方法实现了多次冲击的有限元模拟。最后将计算所得的应变—时间曲线以及层间分层损伤面积的有限元结果与实验结果进行对比,修正模型并验证仿真模型的合理性。(3)应用修正后合理的有限元模型,分析研究主要特定冲击参数(包括低速冲击时冲头的初始动能和冲头与层合板表面的接触面积以及层合板相邻单层的铺层角度)的改变对层合板低能量冲击动态响应的影响,预测复合材料结构的低速冲击损伤。

关键词：复合材料层合板多次低速冲击 VUMAT子程序动态响应

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