【摘 要】
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复合材料由于其各种优良力学性能被广泛用于航空航天、车辆船舶等领域。在被大量使用的同时,复合材料层合结构厚度方向力学性能薄弱、对于冲击载荷敏感的特性也就暴露无疑。这些冲击载荷速度不一、材质不一、质量不一,因此层合结构对其的冲击响应也各不相同。本文以碳纤维增强复合材料层合板为研究对象,使用冰球和钨珠为冲击体对层合板进行作用,表征层合结构在脆性易碎物体与刚性硬物冲击下的损伤状态与动力学响应,研究并分析其
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复合材料由于其各种优良力学性能被广泛用于航空航天、车辆船舶等领域。在被大量使用的同时,复合材料层合结构厚度方向力学性能薄弱、对于冲击载荷敏感的特性也就暴露无疑。这些冲击载荷速度不一、材质不一、质量不一,因此层合结构对其的冲击响应也各不相同。本文以碳纤维增强复合材料层合板为研究对象,使用冰球和钨珠为冲击体对层合板进行作用,表征层合结构在脆性易碎物体与刚性硬物冲击下的损伤状态与动力学响应,研究并分析其差异性。试验根据复合材料层合结构的实际工作状况,分别使用7g的钨珠对100mm*100mm的T800/3200层合板进行冲击试验,90g的冰球对400mm*400mm的T800/3200-2层合板进行冲击试验。使用高速摄像法获取冲击体速度信息,使用CT扫描获取受钨珠作用层合板损伤信息,使用超声C扫获取受冰球作用层合板的损伤信息。并在实验的基础上,利用Abaqus有限元仿真软件中建立与试验对应的物理模型。模型对层合板使用三维应力单元与零厚度的内聚力单元,对冰球与钨珠两冲击体分别使用三维应力单元与光滑粒子流模型(SPH)并根据不同类型冲击体造成的损伤的差异性对层合板使用不同的网格划分方式。通过与试验结果相对比,验证模型有效性后,对冲击试验中各工况进行仿真,并设计算例,分别分析了冲击体质量与层合板铺层方向对两类冲击体作用下复合材料板损伤的影响。研究从层内损伤与层间损伤两方面对损伤的差异性进行了具体的研究,两类冲击体下,靶板的损伤分布截然不同:(1)层内损伤方面,平面内,钨珠作用下的层合板的层内损伤在集中于冲击点附近,受速度影响较小,约束端损伤较小,冰球作用下层合板约束端的损伤较为严重;厚度方向上,钨珠为冲击体时,损伤在厚度方向上逐渐增加,初始动能越大,该趋势越明显,冰球为冲击体时,损伤在厚度方向上出现于冲击面或特定铺层中,造成该现象的主要原因为约束端处的损伤。(2)层间损伤方面,在钨珠作用下的层合板粘接层刚度变化较小,脱层损伤集中于穿孔附近,每相邻层间均存在;球冲击的层合板脱层投影面积受冲击体初始动能影响较大,先发生于中间某层中,随着冲击体初始动能增加,脱层面积逐渐增大并逐渐扩散到其他层。同时,研究发现,冰球作用下,层合板的动力学响应时间更长,相同动能下,冰球的碰撞完成时间是钨珠的10倍以上。两类冲击体作用下,动能均是预测靶板损伤程度的重要参数,相同材质冲击体在相同冲击动能作用下损伤状况基本一致,而不同材质的冲击体作用下,靶板损伤差异明显。钨珠为冲击体时,靶板的各类损伤随初始动能增加,会出现下降趋势;冰球为冲击体时,损伤萌芽后,各类损伤随冲击体初始动能增加而增加。此外,研究中还发现铺层方向对两类冲击造成的损伤影响不同,高速冲击下正交铺层的层合板受两类冲击体冲击后损伤均较小。
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