平纹编织复合材料层压板低速冲击后剩余强度分析

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平纹编织型复合材料由于具有比强度高、质量轻和稳定性能好等特性，在航空等结构中的应用越来越广泛。但平纹编织复合材料抗冲击性能差，受冲击作用后结构内部容易出现纤维断裂、基体裂纹及分层等现象，严重损害结构的承载能力，从而引发安全事故。为了评估结构的损伤容限，因此对复合材料受冲击后的压缩性能开展研究具有重要的意义。
　　本文基于ASTM D7136标准对三种铺层层压板进行低速冲击试验，研究了其冲击损伤特性；采用Abaqus有限元分析软件进行了低速冲击过程的动态模拟，揭示其损伤规律。为分析层压板冲击后剩余强度，进行压缩试验，得到冲击能量与剩余强度的关系；并将有限元模拟中的冲击损伤后末状态作为压缩的数值模拟的起始状态来实现层压板冲击及冲击后压缩的衔接。最后，进行了湿热环境下含冲击损伤层压板的压缩试验。
　　（1）对三种铺层层压板进行了不同能量的冲击试验，发现三条凹坑深度-冲击能量曲线都会出现拐点；通过超声 C扫描得出，在拐点前层压板内部主要出现分层损伤，拐点后冲击背面伴随有纤维断裂及基体开裂现象。建立层压板冲击模型，采用Hashin失效准则对面内损伤进行预判，引入cohesive单元模拟层间损伤，并采用 Quads准则作为界面初始损伤判据。计算结果显示层压板分层损伤面积类似花生状、椭圆形等，分层损伤面积也与试验值接近。三种层压板的分层损伤都是由冲击背面向正面扩展的，模拟结果也可以发现少量的纤维断裂损伤及基体开裂损伤。
　　（2）含冲击损伤层压板压缩过程中出现局部屈曲以及分层扩展等现象，最终发生剪切分层失效。并且剩余强度会受冲击能量的影响，冲击能量越大，剩余强度就下降的越多；相比于无损层压板，其剩余强度都不同程度的下降了30％到62.5%。在含损伤层压板数值模拟后处理中发现：压缩损伤会在冲击损伤区域逐渐向周围扩展，并且90度铺层方向扩展的最快，45度和-45度次之，0度方向最慢；模拟的压缩破坏载荷较试验值比较吻合。
　　（3）相比常温下含冲击损伤层压板，吸湿后的层压板破坏载荷下降超过10%，说明湿热效应会使层压板结构压缩性能降低。

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作者
刘志昌;
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作者单位

南昌大学;

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授予单位南昌大学;
学科力学
授予学位硕士
导师姓名管国阳;
年度 2017
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类非金属复合材料;工程材料力学（材料强弱学）;
关键词
平纹编织复合材料; 冲击试验; 剩余强度; 湿热环境; 层压板;

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