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复合材料学报 2022年第2期39卷 590-600页

作者：石昌王继辉朱俊倪爱清李想武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070 洛阳船舶材料研究所洛阳471039 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070

设计了一种梯形格构增强泡沫夹芯板,并采用真空辅助树脂灌注(VARI)工艺制备了多种不同结构参数的格构增强泡沫夹芯板。实验研究了夹芯板在平面压缩载荷下的失效模式与力学性能,考察了夹芯板结构参数(试样尺寸、格构腹板角度、格构腹板厚... 详细信息

设计了一种梯形格构增强泡沫夹芯板,并采用真空辅助树脂灌注(VARI)工艺制备了多种不同结构参数的格构增强泡沫夹芯板。实验研究了夹芯板在平面压缩载荷下的失效模式与力学性能,考察了夹芯板结构参数(试样尺寸、格构腹板角度、格构腹板厚度)对夹芯板比压缩强度、比压缩模量与比吸能的影响规律。结果表明:格构增强泡沫夹芯板主要破坏模式为格构腹板的断裂与屈曲;夹芯板中泡沫芯材与格构腹板协同增强;60°夹角格构增强夹芯板相对于无格构增强夹芯板的比压缩强度、比压缩模量和比吸能分别提高了89.4%、137.9%、45.2%;格构增强泡沫夹芯板压缩性能随着格构腹板角度、格构腹板厚度的增加而提高。这类夹芯板的设计为船舶与海洋工程领域轻质夹芯复合材料的应用提供了指导。

关键词：夹芯结构复合材料格栅结构破坏模式平压性能比吸能

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格栅结构增强泡沫夹芯复合材料设计与力学性能研究

格栅结构增强泡沫夹芯复合材料设计与力学性能研究

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作者：石昌武汉理工大学

学位级别：硕士

复合材料夹芯板具有比强度高、比模量高、成本低和使用方便等优点,其在航空航天、船舶与海洋工程、风电叶片等领域应用日益广泛。传统的“蒙皮/芯材/蒙皮”夹芯结构复合材料存在面板芯材界面较为薄弱,面芯易脱粘的缺点,且夹芯结构厚度... 详细信息

复合材料夹芯板具有比强度高、比模量高、成本低和使用方便等优点,其在航空航天、船舶与海洋工程、风电叶片等领域应用日益广泛。传统的“蒙皮/芯材/蒙皮”夹芯结构复合材料存在面板芯材界面较为薄弱,面芯易脱粘的缺点,且夹芯结构厚度方向的强度与模量远低于面内方向的强度与模量。为了克服传统泡沫夹芯板的缺点,许多学者采用缝合增强与Z-pin增强等技术来提高面芯界面结合性能与厚度方向力学性能。但是,缝合增强与Z-pin增强技术依赖于大型设备且会削弱夹芯板面内方向力学性能。近些年来,国内外学者借鉴中空格栅结构夹芯板的研究经验,提出了格栅结构增强泡沫夹芯板这一新型夹芯结构形式。首先,本文基于前人研究经验,设计了一种新型格栅结构增强泡沫夹芯板,与传统泡沫夹芯结构复合材料的区别是引入了格构腹板对夹芯板进行增强。文中基于经典层合板理论和材料连续性假设,对这一新型结构进行了理论分析,计算了格构增强泡沫夹芯板的等效弹性常数,探究格栅结构参数对夹芯结构弹性性能的影响规律,计算结果可用于指导后续的试验制备。其次,考虑到格构增强泡沫夹芯板的结构特点与复合材料液体成型工艺的优势,本文选择真空辅助树脂灌注(VARI)工艺,制备了多种结构参数格栅结构增强泡沫夹芯板。同时也制备了传统结构泡沫夹芯板,作为对照组与格构增强泡沫夹芯板的力学性能进行对比研究。然后,通过试验的方法研究了试样尺寸对测试结果的影响,以及格栅结构参数(格构角度、格构厚度)对夹芯板平压、侧压、三点弯曲力学性能的影响规律。对比了格构增强泡沫夹芯板与空白对照试样的破坏模式与力学性能的差异。试样尺寸对测试结果影响的研究表明,夹芯板的平压模量随试样尺寸的增大而增加,但测试弯曲强度与刚度、侧压强度与模量时,试样尺寸对测试结果无明显影响。在平面压缩工况下,格构增强夹芯板的破坏模式主要为格构腹板的断裂与屈曲,夹芯板中泡沫芯材与格构腹板起到协同增强作用。格构增强技术大大提高了夹芯板的平压强度、平压模量和压缩比吸能特性,且压缩性能随着格栅角度、格栅厚度的增加而提高。在侧压工况下,格构腹板的存在能够避免面板芯材的大面积脱粘和芯材的剪切破坏,格构增强泡沫夹芯板的侧压强度与侧压模量明显高于对照组试样,且侧压强度与模量随格构腹板厚度的增大而增加,随格构腹板角度的增加而降低。三点弯曲模式下,格构增强夹芯板与对照组试样的破坏模式一致,均为夹芯板的上面板压缩断裂。格构腹板能够显著提高夹芯板的弯曲强度与弯曲刚度,随着格构腹板角度和厚度的增加,夹芯板弯曲强度显著增大,但弯曲刚度基本不变。格构增强技术能够显著提升夹芯板的力学性能,但引入格构腹板后,试样的面密度仅略有增加。最后,研究了格构增强夹芯板的动态力学性能,考察了冲击能量、冲击位置、夹芯板的结构参数对低速冲击损伤和冲击响应的影响。结果表明,夹芯板凹坑深度随冲击能量的增加而增加,但峰值接触载荷与损伤面积并不随着冲击能量的增加而增加。与对照组试样相比,格构增强夹芯板峰值接触载荷增大,冲击响应时间缩短,冲头的最大位移缩小,损伤凹坑深度降低。当冲击位置在梯形格构长边时,冲击响应和损伤程度与对照组试样的冲击响应和损伤程度基本相似。当格构腹板角度与厚度增加时,损伤面积变化不大;冲击响应时间缩短,冲头最大位移缩小,凹坑深度减小。通过冲击后剩余压缩强度值(CAI)的比较,发现冲击位置在梯形格构短边时,CAI值低于对照组试样,冲击位置在长边时,CAI值高于对照组试样。夹芯板的CAI值基本呈现出随着冲击能量增加而减小的规律。

关键词：夹芯结构复合材料格栅结构理论计算基本力学性能低速冲击

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