顆粒填充纖維增強(qiáng)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及其夾芯結(jié)構(gòu)抗撞擊性能研究.pdf

1、高速化和輕量化是軌道交通車輛的必然發(fā)展趨勢(shì)。本文以長(zhǎng)沙2號(hào)線地鐵司機(jī)室為研究對(duì)象，旨在滿足司機(jī)室結(jié)構(gòu)抗撞擊性能和阻燃要求的前提下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。具體來講，本文系統(tǒng)地開展了顆粒填充樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能及其改性研究、顆粒填充纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)顆粒分布特性研究、顆粒填充纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸和壓縮性能及其改性研究以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)抗撞擊性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。主要研究工作包括：
　　開展了氫氧化鋁顆粒填充不飽和聚酯樹脂（

2、ATH/UP）復(fù)合材料力學(xué)性能研究。采用電動(dòng)攪拌分散工藝制備了ATH/UP復(fù)合材料試樣，研究顆粒含量和粒徑對(duì)復(fù)合材料拉伸、彎曲和沖擊韌性的影響。結(jié)果表明，ATH/UP復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)顆粒含量和粒徑變化較敏感。當(dāng)顆粒含量增加時(shí)，拉伸強(qiáng)度減小，彎曲強(qiáng)度則先增加后減小，拉伸模量、彎曲模量和沖擊強(qiáng)度則一直增加。當(dāng)顆粒粒徑增加時(shí)，拉伸強(qiáng)度先增加后減小，而拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和模量以及沖擊強(qiáng)度則一直減小。
　　開展了ATH/UP復(fù)合材料界面改

3、性研究。采用濕法改性的方式對(duì)ATH顆粒表面進(jìn)行改性處理，研究偶聯(lián)劑種類、改性溫度以及偶聯(lián)劑用量對(duì)復(fù)合材料拉伸、彎曲和沖擊韌性的影響。結(jié)果表明，與未改性復(fù)合材料相比，改性復(fù)合材料的力學(xué)性能都有顯著提高，且采用硅烷偶聯(lián)劑KH-570的改性效果優(yōu)于鈦酸酯偶聯(lián)劑PN-401。改性復(fù)合材料力學(xué)性能受改性溫度和偶聯(lián)劑用量控制。隨著改性溫度和偶聯(lián)劑用量的增加，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和模量、沖擊強(qiáng)度先增加后減小。當(dāng)偶聯(lián)劑為KH-570時(shí)，最佳改性溫度和偶聯(lián)

4、劑用量分別為50℃和2.0wt％。當(dāng)偶聯(lián)劑為PN-401時(shí)，最佳改性溫度和偶聯(lián)劑用量分別為70℃和1.0wt%。
　　開展了氫氧化鋁顆粒填充玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂（ATH-GF/UP）復(fù)合材料顆粒分布特性研究?？疾炝穗妱?dòng)攪拌和高速剪切攪拌兩種分散工藝對(duì)ATH-GF/UP復(fù)合材料內(nèi)顆粒分布以及拉伸和壓縮性能的影響。結(jié)果表明，采用電動(dòng)攪拌，顆粒沿樹脂流動(dòng)方向和厚度方向均呈遞減規(guī)律分布；而采用高速剪切攪拌，顆粒在面內(nèi)流動(dòng)方向呈下降趨

5、勢(shì)分布，但在厚度方向無明顯變化規(guī)律。復(fù)合材料力學(xué)性能隨攪拌速度的提高而提高。
　　開展了ATH-GF/UP復(fù)合材料拉伸性能應(yīng)變率效應(yīng)研究。利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)和沖擊拉伸試驗(yàn)裝置對(duì)未改性和改性ATH-GF/UP復(fù)合材料進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拉伸性能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，ATH-GF/UP復(fù)合材料拉伸性能具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。拉伸強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加而增加，且與ln??具有良好的線性關(guān)系?？疾炝祟w粒含量和粒徑對(duì)未改性復(fù)合材料拉伸性能的影響。結(jié)果表明，

6、動(dòng)態(tài)載荷作用下，拉伸強(qiáng)度隨顆粒含量增加先增加后減小。當(dāng)顆粒含量為40wt%，動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度最高。顆粒粒徑對(duì)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)拉伸性能的影響不明顯?？疾炝私缑娓男詫?duì)ATH-GF/UP復(fù)合材料拉伸性能的影響。結(jié)果表明，采用KH-570改性，動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度隨改性溫度和偶聯(lián)劑用量增加先增加后減小。當(dāng)改性溫度為50℃、偶聯(lián)劑用量為1.5wt%時(shí)，動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度最高。采用PN-401改性，動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度隨改性溫度增加先增加后減小，隨偶聯(lián)劑用量增加則一直增加。當(dāng)改

7、性溫度為80℃、偶聯(lián)劑用量為2.0wt%時(shí)，動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度最高。
　　開展了ATH-GF/UP復(fù)合材料壓縮性能應(yīng)變率效應(yīng)研究。利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)和霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置對(duì)未改性和改性ATH-GF/UP復(fù)合材料進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)面內(nèi)、面外壓縮性能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，ATH-GF/UP復(fù)合材料壓縮性能具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。壓縮強(qiáng)度和模量都隨應(yīng)變率增加而增加，且與ln??具有良好的線性關(guān)系?？疾炝祟w粒含量和粒徑對(duì)未改性復(fù)合材料壓縮性能的影響。結(jié)

8、果表明，復(fù)合材料壓縮性能隨顆粒含量增加而增加。在動(dòng)態(tài)加載條件下，面內(nèi)壓縮性能隨顆粒粒徑減小而減小，面外壓縮性能隨顆粒粒徑減小而增加?？疾炝私缑娓男詫?duì)ATH-GF/UP復(fù)合材料壓縮性能的影響。結(jié)果表明，采用 KH-570改性，壓縮性能隨改性溫度增加先增加后減?。幻鎯?nèi)壓縮性能和準(zhǔn)靜態(tài)面外壓縮性能隨偶聯(lián)劑用量增加先增加后減小，但動(dòng)態(tài)面外壓縮性能一直降低。當(dāng)改性溫度為50℃、偶聯(lián)劑用量為2.0wt%時(shí)，面內(nèi)壓縮性能最優(yōu)；當(dāng)改性溫度為30℃、偶聯(lián)

9、劑用量為2.0wt%時(shí)，動(dòng)態(tài)面外壓縮性能最優(yōu)。采用PN-401改性，壓縮性能都隨改性溫度、偶聯(lián)劑用量增加先增加后減小。當(dāng)改性溫度為70℃、偶聯(lián)劑用量為1.0wt%時(shí)，面內(nèi)和面外壓縮性能最優(yōu)。
　　開展了ATH-GF/UP復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)抗撞擊性能有限元分析研究。基于ANSYS/LS-DYNA和LS-DYNA軟件，建立簡(jiǎn)化的有限元模型，進(jìn)行抗撞擊仿真分析。結(jié)果得到，彈體未穿透靶板，侵徹深度為25.60mm，反彈速度為28m/s。與撞

10、擊試驗(yàn)結(jié)果相比，侵徹深度和反彈速度的誤差分別為2.4%和3.7%?？疾炝嗣姘宀牧闲阅軈?shù)以及面板厚度對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)抗撞擊性能的影響。結(jié)果表明，外面板的面內(nèi)壓縮模量應(yīng)變率效應(yīng)常數(shù)、面內(nèi)拉伸強(qiáng)度應(yīng)變率效應(yīng)常數(shù)和內(nèi)面板的面內(nèi)拉伸強(qiáng)度應(yīng)變率效應(yīng)常數(shù)、面內(nèi)拉伸強(qiáng)度的影響最顯著。非對(duì)稱夾芯結(jié)構(gòu)在保持面板總厚度不變時(shí)，增加外面板厚度，抗撞擊性能得到明顯提高，且高于同等面板厚度的對(duì)稱夾芯結(jié)構(gòu)。將非對(duì)稱夾芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用到地鐵司機(jī)室設(shè)計(jì)中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)重量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，得