復(fù)合材料結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓剪漸進(jìn)失效機(jī)理研究.pdf

1、復(fù)合材料是一種性能優(yōu)良的新型材料/結(jié)構(gòu)，具有比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕、耐摩擦以及密度低等優(yōu)良性能優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于大型航空航天、建筑、風(fēng)力發(fā)電葉片、軌道交通、航海、以及壓力容器等重要工程領(lǐng)域。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式多樣，有常規(guī)單向纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料層壓板，編織織物增強(qiáng)的復(fù)合材料層壓板以及一些混雜結(jié)構(gòu)，例如夾層板。典型的復(fù)合材料蜂窩夾層板由兩層剛度較大的復(fù)合材料面板和中間的輕質(zhì)夾芯組成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是可以大幅度增加結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，提高結(jié)構(gòu)承

2、載效率，并且兼具隔音隔熱等附加功能。在實(shí)際工程應(yīng)用中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)會(huì)受到各種載荷的作用，當(dāng)載荷集中在局部時(shí)，可能會(huì)造成局部的損傷甚至被穿透。國(guó)內(nèi)外有學(xué)者運(yùn)用準(zhǔn)靜態(tài)壓剪試驗(yàn)來分析復(fù)合材料穿透損傷的演化機(jī)理以及局部破壞對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響并取得了很好的效果。然而對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理研究，還需要更加深入細(xì)致的工作，才能為復(fù)合材料抗穿透性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。
　　本文首先總結(jié)了近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)壓

3、剪性能研究中所取得的成果，對(duì)理論、數(shù)值及試驗(yàn)方面的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)存在的問題進(jìn)行了深入分析。本文的主要工作是對(duì)碳纖維緞紋織物增強(qiáng)的復(fù)合材料層壓板以及以它為面板的蜂窩夾層板的準(zhǔn)靜態(tài)壓剪漸進(jìn)失效機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。
　　主要研究?jī)?nèi)容包括：
　?。?）復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)壓剪試驗(yàn)研究。參考國(guó)外學(xué)者所設(shè)計(jì)的壓剪試驗(yàn)方法，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，建立復(fù)合材料層壓板及夾層板準(zhǔn)靜態(tài)壓剪的試驗(yàn)方法及觀測(cè)方案，采集了試驗(yàn)中壓頭的接觸力-位

4、移曲線，并通過攝像機(jī)記錄了試驗(yàn)件加載背面的變形歷程。本文采用分步特征追蹤的思路來研究復(fù)合材料層壓板和夾層板在準(zhǔn)靜態(tài)壓剪載荷下的漸進(jìn)失效過程。具體方法為：在典型的載荷位移曲線上選取代表點(diǎn)，對(duì)同一組內(nèi)相同材料的試驗(yàn)件加載到不同的載荷水平并卸載，評(píng)估不同載荷對(duì)結(jié)構(gòu)造成的不同的損傷程度，為裂紋萌生和擴(kuò)展提供依據(jù)。為了得到碳纖維緞紋織物增強(qiáng)的復(fù)合材料層壓板的力學(xué)性能，開展了一系列基本力學(xué)性能測(cè)試，為分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　?。?）

5、復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)壓剪失效機(jī)理研究。分別利用光學(xué)顯微鏡及 X射線斷層成像技術(shù)（X-ray Computed Tomography，XCT）對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的漸進(jìn)失效演化過程進(jìn)行追蹤和評(píng)估。光學(xué)顯微鏡可以提供復(fù)合材料截面上的基體裂紋、分層及纖維斷裂的二維分布。該方法直觀可靠，但必須對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行切割，并且無法得到損傷的空間分布。為了彌補(bǔ)該方法的不足，本文進(jìn)而采用XCT技術(shù)對(duì)破壞后的復(fù)合材料層壓板及蜂窩夾層板進(jìn)行了無損掃描，對(duì)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化

6、處理，從而確定了內(nèi)部損傷形式及分布，直觀地揭示了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷演化過程。XCT技術(shù)是本研究中所采用的一種分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部特性的重要的三維無損檢測(cè)方法。
　?。?）復(fù)合材料層壓板壓剪破壞數(shù)值分析?；贖ashin3D強(qiáng)度準(zhǔn)則及剛度的參數(shù)折減法，利用ABAQUS中VUMAT用戶自定義功能，建立緞紋織物增強(qiáng)的復(fù)合材料層壓板的漸進(jìn)失效模型。利用試驗(yàn)得出的載荷位移曲線及觀測(cè)到的損傷模態(tài)對(duì)有限元模型進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果表明，本文建立的有限元模型可以準(zhǔn)

7、確的再現(xiàn)試驗(yàn)中的載荷位移曲線，并且利用該模型進(jìn)行的數(shù)值分析結(jié)果在損傷類型、損傷位置、面外變形和破壞模式等方面也與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。復(fù)合材料層壓板在壓剪過程中承載形式由局部材料的剪切轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的整體彎曲，最終由于纖維剪切及拉伸斷裂而失效。綜上所述，有限元結(jié)果能夠準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓剪過程中的漸進(jìn)失效歷程。經(jīng)過驗(yàn)證的模型將應(yīng)用于后續(xù)夾層板面板的漸進(jìn)失效模擬過程。
　　（4）復(fù)合材料夾層板壓剪破壞數(shù)值分析。分析碳纖維緞紋織物

8、增強(qiáng)復(fù)合材料面板/Nomex紙蜂窩組成的夾層板在準(zhǔn)靜態(tài)壓剪載荷作用下的失效機(jī)理。利用前面已驗(yàn)證的層壓板的漸進(jìn)失效模型模擬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面板，預(yù)測(cè)夾層板的準(zhǔn)靜態(tài)壓剪性能，重現(xiàn)了試驗(yàn)中的接觸力-位移曲線，并且得到了不同階段的損傷模式。該模型在層壓板的漸進(jìn)失效模型的基礎(chǔ)上添加了單元?jiǎng)h除功能，用于模擬實(shí)際中材料的脫離現(xiàn)象。將數(shù)值模擬所得到的損傷模式與試驗(yàn)所得到的圖像進(jìn)行比較，結(jié)果非常吻合。這說明本文所建立的失效模型合理，可以準(zhǔn)確捕捉到壓剪載荷作