Cf/BMI复合材料分层损伤层合板准静态压痕及其剩余压缩性能研究

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碳纤维/双马复合材料层合板具有良好的力学性能和耐温性能,目前已广泛应用于机翼蒙皮、机舱壁板等部位。但是,层合板结构对冲击载荷非常敏感,十分容易产生层间分层、基体裂纹、纤维断裂等各种损伤,这些损伤的存在会导致层合板的承载能力大幅下降,给飞机的飞行安全造成严重的安全隐患。为了避免灾难性后果的发生,必须对飞机用复合材料结构进行损伤评估。然而,目前针对特定飞机用复合材料的损伤评估十分匮乏。基于层合板在服役过程中四边铆接的实际情况,本文开展了四边固支条件下碳纤维/双马复合材料层合板准静态压痕损伤及其剩余压缩性能研究来等效评估其低速冲击损伤;同时,通过预埋聚四氟乙烯薄膜的方式,制备了含有预制分层损伤的试样,以研究分层损伤对层合板准静态压痕损伤及其剩余压缩性能的影响规律。主要工作和结论如下:首先,考察了单次加载和逐级加载方对特征接触力及特征凹坑深度的影响,结果表明,通过逐级加载的方式来研究准静态压痕损伤具有可行性;同时,对比了四边简支和四边固支条件下准静态压痕损伤的区别,结果表明,两种边界条件下,复合材料层合板的分层扩展模式、特征接触力、凹坑深度变化以及损伤宽度变化均存在着明显的区别,故不能通过四边简支条件来研究实际服役条件下(四边固支)的准静态压痕损伤。接着,本文通过预制分层损伤的方式研究了单一分层的深度及大小对四边固支条件下准静态压痕损伤的影响。结果表明:在中面之前,特征接触力和特征凹坑深度随着预制分层损伤深度的降低,均呈现出规律性的下降趋势;相对于损伤深度和损伤宽度随分层损伤的变化,特征接触力和特征凹坑深度能更好地反映分层损伤对层合板损伤阻抗的影响程度。因此,特征接触力和特征凹坑深度可作为复合材料层合板在准静态压痕力作用下损伤阻抗的表征参数。最后,本文分别研究了分层损伤对复合材料层合板剩余压缩强度、有效压缩模量以及最大压缩应变的影响。结果表明:相对于有效压缩模量和最大压缩应变,剩余压缩强度值随分层损伤的变化规律最为明显,即随着预制分层损伤趋近于中面,剩余压缩强度的下降幅度逐渐减小;无论是否含有预制分层损伤,通过静压痕力引入初始分层损伤后,层合板剩余压缩强度下降了约5%,而在静压痕力作用下分层损伤明显扩展后,层合板剩余压缩强度下降了接近50%。因此,采用剩余压缩强度值作为复合材料层合板损伤容限的表征参数更合理。
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