玻璃纤维增强铝合金层板低速冲击力学特性及低温影响研究

为研究玻璃纤维增强铝合金层板(FMLs)抗低速冲击力学特性以及受低温处理的影响,采用2A12铝合金板和单向S2-glass/epoxy预浸料制成FMLs,通过落锤低速冲击试验设备对其抗低速冲击力学特性进行研究。并采用较高冲击能量对经过-25℃和0℃低温处理1 h后的FMLs进行冲击试验,与未低温处理结果对比研究低温处理对FMLs冲击力学特性的影响。结果表明:未低温处理的FMLs在低速冲击条件下,正面铝合金铺层主要发生成坑、环向裂纹以及穿孔等损伤,背面铝合金层则发生鼓包、单向裂纹和花瓣开裂等损伤。峰值冲击载荷随着冲击能量的提高而增大,但当冲击能量达到FMLs临界穿透能后峰值冲击载荷基本保持稳定。随着冲击能量的提高,峰值位移逐渐增大,能量回弹系数逐渐减小。另一方面,低温处理可提高FMLs抗冲击性能,但会降低FMLs中铝合金/复合材料铺层界面黏结效果。处理温度越低,FMLs峰值冲击载荷越高,峰值位移越小,FMLs中复合材料和铝合金铺层发生脱胶损伤的面积越大。     

缝合复合材料层板低速冲击损伤数值模拟

建立了缝合复合材料层板在低速冲击载荷下的渐进损伤分析模型。模型中采用空间杆单元模拟缝线的作用;采用三维实体单元模拟缝合层板,通过基于应变描述的Hashin准则,结合相应的材料性能退化方案模拟层板的损伤和演化;采用界面单元模拟层间界面,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的应变能释放率准则判断分层的起始和扩展规律。通过对碳800环氧树脂复合材料（T800/5228）层板的数值仿真结果和试验结果相比较,验证了模型的正确性,同时讨论了不同冲击能量下缝合层板的损伤规律。研究结果表明：缝线能够有效地抑制层板的分层损伤扩展;相同冲击能量下缝合与未缝合层板的基体损伤和纤维损伤在厚度分布上相似,缝合层板的损伤都要小于未缝合层板。     

纤维金属层板力学性能的研究现状

纤维金属层板（Fibre metal laminates,FMLs）具有优异的综合力学性能,现已成功应用于航空等领域。高速冲击性能是FMLs重要的力学性能指标之一,然而由于FMLs高速冲击破坏机制的复杂性,目前对其高速冲击性能的研究还处于起步阶段。鉴于此,本文在综述FMLs力学性能的基础上,重点从实验研究和有限元模拟等方面讨论了FMLs高速冲击性能研究现状,最后提出了FMLs力学性能现有研究中存在的一些问题和未来潜在的发展方向。     

缝合复合材料层板低速冲击及冲击后压缩实验研究

通过对缝合复合材料层板进行低速冲击和冲击后压缩实验, 研究了不同类型的缝合复合材料层板的冲击损伤特性及冲击后压缩的剩余强度。实验研究表明: 基体损伤和分层是缝合层板与未缝合层板低速冲击的主要损伤模式, 缝合层板具有更好的抗冲击性能, 更高的冲击后压缩强度。缝合密度越大的层板其抗冲击性能越好, 冲击后压缩强度越高。缝合方向为0°的缝合层板较缝合方向为90°的缝合层板具有更好的抗冲击性能和更高的冲击后压缩强度。增加0°方向铺层, 减少45°、-45°方向铺层, 可以提高缝合层板的抗冲击性能和冲击后压缩强度。     

纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟

推导了复合材料应变率相关三维本构关系, 并将其用于复合材料层板高速冲击损伤的数值模拟。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度退化, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料层板高速冲击的破坏过程及层板的损伤特性。数值分析结果表明, 剩余速度预报结果与实验结果吻合较好, 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂, 减小弹体直径、 增大铺层角度和层板厚度能够有效降低层板损伤面积。      

内凹弧形蜂窝夹芯板低速弹道冲击试验与数值仿真

面向弹道冲击防护,设计制备了1060铝合金材质的内凹弧形(re-entrant circular, REC)和传统内凹(re-entrant, RE)六边形蜂窝夹芯板。采用钢质圆柱弹低速冲击试验结合有限元数值仿真,研究对比了两类蜂窝夹芯板的低速弹道冲击动态响应与防护性能。进而,利用经验证的有限元模型,仿真分析着靶速度对两类蜂窝夹芯板的低速弹道冲击最大永久压缩量、局部泊松比值和各部件吸能占比的影响。最后,分析了REC蜂窝胞元的圆弧胞壁半径、胞元长度等结构参数对夹芯板低速弹道冲击响应的影响。结果表明：相比RE蜂窝,REC蜂窝夹芯板在相同弹道冲击载荷下最大永久压缩量更小,抗弹性能更优,并且低速下优势更显著;随着胞元长度和圆弧胞壁半径减小,REC蜂窝夹芯板的抗弹性能可进一步提升。     

Ti-C纤维金属层压板自由振动试验和数值分析

为研究由钛合金和碳纤维增强复合材料交替铺设而成的Ti-C纤维金属层压板(FMLs)的制备及自由振动,首先,使用有限元分析软件MSC.PATRAN/NASTRAN对不同尺寸Ti-C FMLs的自由振动进行了二维有限元建模计算,确定了尺寸效应对FMLs固有频率的影响;然后,采用电磁激振器和非接触式激光扫描仪进行自由振动试验,比较了数值仿真结果和试验结果;最后,计算了相同尺寸的纯碳纤维复合材料层压板和不同钛合金层压板层数的Ti-C FMLs的固有频率,研究了钛合金层压板层数对FMLs固有频率的影响。结果显示:试件的尺寸越小,固有频率的计算误差越大,即当结构面内尺寸相对于厚度的倍数较小时,模型的计算误差大;数值仿真结果和试验结果总体吻合较好,有限元模型有效;FMLs的固有频率随着钛合金层压板层数的增加而减少。所得结论可为提高Ti-C FMLs自由振动的可设计性提供参考。      

纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤数值模拟

根据复合材料三维黏弹性本构关系,建立了纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤的数值分析模型.该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别,引入材料刚度折减方案,采用菲线性有限元方法,研究高速倾斜冲击下复合材料层板的破坏过程和损伤特性.研究结果表明:层板的主要损伤形式是层间分层、基体微裂纹和纤维断裂;冲击速度不变而入射角度增大时,剩余速度减小,层板损伤面积在一定入射角度范围内有明显变化;入射角度不变而冲击速度增大时,剩余速度增大,层板损伤面积在一定速度范围内也有明显变化.     

纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤数值模拟

根据复合材料三维黏弹性本构关系, 建立了纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤的数值分析模型。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度折减方案, 采用非线性有限元方法, 研究高速倾斜冲击下复合材料层板的破坏过程和损伤特性。研究结果表明: 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂; 冲击速度不变而入射角度增大时, 剩余速度减小, 层板损伤面积在一定入射角度范围内有明显变化; 入射角度不变而冲击速度增大时, 剩余速度增大, 层板损伤面积在一定速度范围内也有明显变化。     

纤维金属层板制备成形的研究现状及发展趋势

随着航空航天和汽车等结构领域对轻量化的要求越来越高,纤维金属层板作为一种新型混杂复合材料得到广泛的关注。综述了纤维金属层板的最新研究进展,主要对纤维金属层板进行了3种不同类型的分类,并对其在飞机和汽车上的应用做了分析,介绍了纤维金属层板制备成形的国内外研究现状,以及针对纤维增强树脂体系的不同而采用的纤维金属层板的2种成形制备工艺:层压固化制备工艺(包括滚弯成形、喷丸成形)和金属塑性成形工艺(冲压成形、充液成形等),最后对纤维金属层板的特性及其在未来航空航天和汽车制造上的生产应用进行了展望。     

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

炭纤维增强树脂基复合材料层合板低速冲击性能实验研究

对 3种炭纤维增强树脂基复合材料( T300/ N Y9200Z、T300/ Q Y8911和 T700S/ 5228)层合板进行了落锤冲击实验 , 并对冲击后试样进行了冲击后压缩性能测试。通过对凹坑深度2单位厚度冲击能量( d 2e)曲线 , 损伤面积2凹坑深度( S2d)曲线和冲击后压缩破坏应变2凹坑深度(ε 2d)曲线的对比分析 , 讨论了这 3 种复合材料层合板的低速冲击性能(即损伤阻抗和损伤容限) 。利用热揭层技术对拐点前后的复合材料损伤状态进行了观察 , 对损伤机制进行了讨论。实验结果表明 , 在 3种材料的 d 2e曲线 , S2d曲线和ε 2d曲线上均存在对应的拐点 , 该拐点同时也是不同损伤形式的转变点。凹坑深度在小于拐点时 , 损伤形式以基体裂纹和分层损伤为主 , 凹坑深度大于拐点时 , 分层损伤基本不再扩展 , 损伤的发展主要以纤维断裂的扩展为主。     

含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度及疲劳性能试验研究

对T300/QY8911复合材料层板进行了低速冲击、 冲击后压缩以及冲击后疲劳试验研究。通过对冲击后的层板进行目视检测和超声C扫描获得了层板受低速冲击后的若干损伤特征; 在压-压疲劳试验中, 测量了损伤的扩展情况。讨论了冲击能量与损伤面积以及冲击后剩余压缩强度的关系, 分析了含冲击损伤层合板在压缩载荷及压-压疲劳载荷下的主要破坏机制。结果表明, 低速冲击损伤对该类层板的强度和疲劳性能影响很大, 在3.75 J/mm的冲击能量下, 层板剩余压缩强度下降了65%; 在压-压疲劳载荷作用下, 其损伤扩展大致可分为两个阶段, 占整个疲劳寿命约60%的前一阶段损伤扩展较为缓慢; 而疲劳寿命的后半阶段损伤则开始加速扩展, 并导致材料破坏。     

Failure analysis of low velocity impact on thin composite laminates: Experimental and numerical approaches

The dynamic behavior of composite laminates is very complex because there are many concurrent phenomena during composite laminate failure under impact load. Fiber breakage, delaminations, matrix cracking, plastic deformations due to contact and large displacements are some effects which should be considered when a structure made from composite material is impacted by a foreign object. Thus, an investigation of the low velocity impact on laminated composite thin disks of epoxy resin reinforced by carbon fiber is presented. The influence of stacking sequence and energy impact was investigated using load–time histories, displacement–time histories and energy–time histories as well as images from NDE. Indentation tests results were compared to dynamic results, verifying the inertia effects when thin composite laminate was impacted by foreign object with low velocity. Finite element analysis (FEA) was developed, using Hill’s model and material models implemented by UMAT (User Material Subroutine) into software ABAQUS™, in order to simulate the failure mechanisms under indentation tests.     

隧道围岩爆破冲击损伤防护的轻气炮试验及数值模拟

为减小爆破对隧道围岩的损伤破坏,在传统光面爆破装药结构基础上,设计一种在炮孔一侧安放PVC-U材料来保护隧道围岩的装药结构,并分析了该装药结构爆破过程中对隧道围岩损伤防护的机理。为进一步验证PVC-U管的防护效果,利用57mm口径的一级轻气炮装置和LS-DYNA软件进行了岩石冲击损伤破坏分析。结果表明：保护层能够降低岩石试件冲击面上的应力波峰值和减小试件的损伤程度;在相同冲击速度下,岩石试件冲击面上的应力波峰值随保护层厚度的增加而不断下降。加有4mm保护层材料的岩石试件的损伤度较无保护层时降低了21.1%。对岩石试件的冲击过程进行的数值模拟验证了理论分析和试验结果的正确性。说明放置在炮孔内的PVC-U管能够对岩石的爆破损伤破坏起到一定的防护作用。