含低速沖擊損傷復合材料層板剩余強度及疲勞性能研究.pdf

1、復合材料層合板由于其比強度、比剛度高，可設(shè)計性強，在航空、航天領(lǐng)域已得到的廣泛的應用。然而層合板對低速沖擊十分敏感，低能量物體的沖擊往往在層板內(nèi)部造成諸如纖維斷裂，基體開裂，層間分層等損傷，這些損傷嚴重影響了結(jié)構(gòu)的承載能力和安全使用壽命?，F(xiàn)有的基于“靜力覆蓋疲勞”的復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計思想將復合材料的許用應變值限制在一個較低的水平上，降低了復合材料結(jié)構(gòu)的減重效果。為了提高復合材料的應用水平和效率，需要開展對復合材料低速沖擊損傷和沖擊后剩余強

2、度、疲勞性能的研究。本文圍繞這點，開展的主要研究內(nèi)容包括：
　　 (1)針對某典型鋪層T300/QY8911復合材料層板開展了8種能量的低速沖擊和沖擊后壓縮試驗研究，獲得了沖擊后層板的損傷規(guī)律，討論了沖擊能量和沖擊損傷特性及剩余壓縮強度之間的關(guān)系；分析了含低速沖擊損傷層板在壓縮載荷下的破壞機理，研究表明：低速沖擊造成的損傷對該類層板的剩余壓縮強度影響很大，在僅3.75J/mm的沖擊能量下，層板剩余壓縮強度就下降了65％。含沖擊損

3、傷層板的壓縮破壞模式與含孔層板類似，孔(損傷區(qū))周圍纖維屈曲是主要的失效模式。
　　 (2)選取了受13.75J能量沖擊后的層板進行沖擊后壓-壓疲勞試驗研究。詳細測量了疲勞加載過程中試件內(nèi)部的損傷擴展情況，獲得了損傷擴展規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：含沖擊損傷層板壓-壓疲勞載荷下的損傷擴展過程可分為平穩(wěn)期和擴展期兩個階段，平穩(wěn)期約占整個疲勞壽命的前60％，該階段內(nèi)損傷擴展較緩慢；而疲勞壽命的后半階段為擴展期，損傷開始加速擴展，在臨近材料破壞時

4、，還會出現(xiàn)明顯的整體剛度下降。
　　 (3)建立了用于預測復合材料層合板在低速沖擊作用下?lián)p傷演化的有限元分析模型，有限元模型中包含了用于模擬分層損傷的界面單元和用于模擬纖維斷裂，纖維擠壓，基體開裂，基體擠裂等面內(nèi)損傷形式的三維實體單元，模型中考慮了面內(nèi)基體損傷對層間強度的影響。模型使用ABAQUS/Explicit模塊和用戶材料子程序VUMAT來實現(xiàn)，討論了主要損傷模式的產(chǎn)生機理和影響低速沖擊后層板內(nèi)部分層面積的主要因素。

5、>　　 (4)通過損傷導入模塊，將沖擊損傷模型分析得到的各類損傷導入到壓縮破壞模型中，建立了預測含沖擊損傷層板在壓縮載荷作用下?lián)p傷演化和剩余強度的有限元分析方法，實現(xiàn)了從沖擊到?jīng)_擊后壓縮的全程分析。
　　 (5)將沖擊損傷等效為一圓形開孔，應用含橢圓形夾雜的雜交應力單元分析含圓孔有限大板的應力分布，采用特征曲線和點應力判據(jù)相結(jié)合的方式并通過引入損傷擴展規(guī)律建立了含低速沖擊損傷復合材料層板剩余強度和壓-壓疲勞壽命預報模型。并詳細