三維編織復(fù)合材料低速沖擊損傷機(jī)理及其剩余強(qiáng)度研究

本項目主要研究了三維碳/環(huán)氧編織復(fù)合材料的低速沖擊和沖擊后壓縮性能（CAI）。對不同編織角度和編織結(jié)構(gòu)的試件在不同的沖擊能量水平進(jìn)行低速沖擊測試。CAI測試分析不同結(jié)構(gòu)的沖擊后剩余力學(xué)性能，同時采用聲發(fā)射技術(shù)實時監(jiān)測其測試過程以便進(jìn)一步分析其損傷機(jī)理。 實驗數(shù)據(jù)表明，三維編織復(fù)合材料的低速沖擊力學(xué)性能及損傷模式與編織角度和編織結(jié)構(gòu)相關(guān)。編織角度決定纖維束排列的緊密程度，編織角度越大纖維束排列的越緊密，其抗沖擊性能越強(qiáng)；編織結(jié)構(gòu)決定纖維束的走向，垂直于沖擊方向的纖維束有較好的緩沖吸能作用，能限制沖擊損傷向非沖擊面的擴(kuò)展。并以結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的三維六向編織復(fù)合材料為例，將有限元技術(shù)與細(xì)觀力學(xué)理論相結(jié)合，根據(jù)復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，建立起具有代表性的有限元單胞模型，系統(tǒng)地分析其剛度和強(qiáng)度隨編織參數(shù)的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，用Chang-Chang失效準(zhǔn)則作為判據(jù)對材料的低速沖擊損傷過程進(jìn)行模擬，數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。 CAI性能和損傷機(jī)理主要受編織纖維束的軸向支撐影響。編織角越小，編織紗沿壓縮方向承載能力越強(qiáng)，其CAI性能也就越高，在壓縮過程中，纖維受力比較均勻，達(dá)到極限載荷時纖維發(fā)生脆性斷裂，且斷裂面平齊。隨著編織角增加，編織紗沿壓縮方向承載能力減弱，其CAI性能也就越低，纖維不容易沿編織紋理方向發(fā)生破壞，纖維束界面基體開裂導(dǎo)致剪切破壞而使材料失效。編織結(jié)構(gòu)的不同對編織復(fù)合材料的壓縮性能及破壞模型也有所影響：三維五向編織復(fù)合材料的軸向紗線直接承受壓縮載荷，因此其相應(yīng)的CAI性能要高些；而三維六向編織復(fù)合材料雖然有軸向紗線承受載荷，但由于橫向紗線（和載荷方向垂直，不承受載荷）的存在，在相近纖維體積含量的情況下，降低了軸向紗線和編織紗線的含量，因此其CAI性能最低，且橫向紗不承受壓縮載荷，限制了纖維束沿纖維束邊界的剪切破壞，隨著載荷的增加，在沖擊損傷區(qū)域的纖維束界面基體開裂比較集中，纖維束失去基體的支撐，在壓縮載荷作用下極易發(fā)生屈曲，因此角度較大的三維六向編織復(fù)合材料呈現(xiàn)局部彎曲。通過聲發(fā)射信號的能量、峰值頻率和幅度等特征參數(shù)，采用多參數(shù)歷程圖分析法，并結(jié)合載荷-位移曲線，把CAI損傷過程分為不同的損傷階段，討論了三維編織復(fù)合材料的CAI損傷演化規(guī)律，結(jié)合波形信號的頻譜特性揭示材料的損傷機(jī)理。

基于航天飛行器對材料和結(jié)構(gòu)性能的特殊要求，針對不同編織工藝參數(shù)（編織角度和纖維體積含量）的三維多向編織復(fù)合材料低速沖擊損傷機(jī)理及其剩余強(qiáng)度進(jìn)行研究：對三維編織復(fù)合材料試件進(jìn)行低速沖擊實驗和沖擊后剩余強(qiáng)度（拉伸和壓縮）實驗，同時用聲發(fā)射監(jiān)測其破壞過程，分析其損傷類型和演化規(guī)律，為理論模型和數(shù)值模擬提供依據(jù)；基于低速沖擊后破壞的試驗結(jié)果和機(jī)制分析，以及軟化夾雜的思想與復(fù)合材料損傷力學(xué)中的剛度衰減方法，將沖擊損傷區(qū)域進(jìn)行簡化，根據(jù)表面凹坑的深度對沖擊損傷區(qū)域進(jìn)行剛度折減，然后采用點應(yīng)力判據(jù)來確定試件的最終破壞；對非線性瞬態(tài)動力學(xué)的有限元模型進(jìn)行開發(fā)和拓展，模擬編織復(fù)合材料在沖擊載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)和破壞過程，在此基礎(chǔ)上，運用顯示動力學(xué)方法分析試件剩余強(qiáng)度的準(zhǔn)靜態(tài)破壞。本項研究目的在于探索低速沖擊條件下三維編織復(fù)合材料本構(gòu)模型、損傷機(jī)理及剩余強(qiáng)度，控制材料的失效與破壞以提高其抗沖擊能力。

雙層夾心復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是指在傳統(tǒng)的單層夾心復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的芯材中間，再插入一層很薄的類似面板的中間層(內(nèi)面板)而形成的由三層面板和兩層芯材組成的疊層結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的單層復(fù)合材料夾心結(jié)構(gòu)相比,其具有更高的力學(xué)性能、更強(qiáng)的功能性（如隔音、隔熱、隱身、減振性能）以及更好的可設(shè)計性（可形成對稱與非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計）。本項目將采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究紙蜂窩、鋁蜂窩、聚胺酯泡沫芯等與玻璃纖維平紋布/環(huán)氧層合板面板組成的雙層夾心結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性；研究其在橫向沖擊載荷下的變形、損傷機(jī)理；預(yù)測其沖擊損傷和沖擊后剩余強(qiáng)度；研究沖擊能量、芯材材料及兩芯材的密度比、內(nèi)面板位置等結(jié)構(gòu)參數(shù)對損傷阻力、損傷容限以及能量吸收與耗散機(jī)理的影響規(guī)律；揭示內(nèi)面板對能量吸收及耗散的作用機(jī)理，提出能量吸收與能量耗散的表征方法。為新型多層夾心復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其它抗低速沖擊多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論依據(jù)和分析方法。 2100433B

在試驗觀察和研究含損傷先進(jìn)復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)（AGS）服役期的后繼損傷、破壞及其失效特征的基礎(chǔ)上，采用理論和實驗相結(jié)合的方法，建立含損傷格柵加筋結(jié)構(gòu)的破壞全過程數(shù)值仿真的分析理論、模型和方法，通過工程典型含損傷復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)的參數(shù)討論，系統(tǒng)地研究先進(jìn)復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)在承載過程中可能出現(xiàn)的多種損傷形式和擴(kuò)展方式，以及多種損傷形式間的耦合效應(yīng)；預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余承載能力，為該類結(jié)構(gòu)的損傷容限的制定提供理論依據(jù)。本項目的研究成果將為我國航空和航天結(jié)構(gòu)分析工作者和設(shè)計師們提供先進(jìn)復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計思想和方法，以促進(jìn)我國先進(jìn)復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和研究領(lǐng)域的發(fā)展，故具有重要的理論意義和工程價值。 2100433B