復合材料加筋板邊緣沖擊損傷及沖擊后壓縮失效機理分析.pdf

1、復合材料加筋板是航空工程中普遍應用的典型結構細節(jié)件，其沖擊損傷容限特性對保證翼面類結構的安全性至關重要。本文以多尺度結合的損傷分析為突破點，開展了關于復合材料加筋板邊緣沖擊及沖擊后壓縮失效機理的試驗研究和數(shù)值分析。本文的主要內容包括：
　　(1)針對復合材料 T型和I型加筋板，進行了邊緣沖擊與沖擊后壓縮試驗研究。試驗中通過目視損傷檢測和無損檢測技術獲得了加筋板4個典型沖擊位置的損傷形貌，測量了試驗件的壓縮剩余強度和應變分布情況，并

2、根據(jù)試驗結果分析了失效機理。
　　(2)從復合材料層內失效機理出發(fā)，采用連續(xù)介質損傷力學方法建立了三維和平面應力狀態(tài)下的復合材料層內漸進損傷分析模型。模型涵蓋了損傷表征、損傷起始判定和損傷演化法則三個方面。通過材料斷裂面坐標下的損傷狀態(tài)變量矩陣完成損傷表征，并考慮斷裂面角度的影響，建立了主軸坐標系下的材料損傷本構關系。損傷起始由Puck失效準則預測，損傷演化由斷裂面上的等效應變控制，服從基于材料應變能釋放的線性軟化行為。采用4種構

3、型復合材料層合板的開孔拉伸和壓縮試驗對模型的有效性進行了驗證。
　　(3)根據(jù)沖擊載荷下層內產(chǎn)生多條基體裂紋繼而擴展至界面形成層間裂紋(分層)的試驗觀察，引入基體裂紋飽和密度參數(shù)表征層間分層，并通過基于代表體積單元的細觀模型估算參數(shù)的取值。以[03/45/-45]S和[45/0/-45/90]4S兩種鋪層的復合材料層合板為例，預測了復合材料層合板的低速沖擊損傷響應參數(shù)，試驗結果證明了復合材料低速沖擊損傷數(shù)值分析模型的預測能力。模型

4、在不同網(wǎng)格密度下的計算結果表明單元特征長度的引入可以降低損傷演化階段對網(wǎng)格密度的依賴性。
　　(4)開展了立筋邊緣沖擊與筋條帽緣沖擊損傷特性的研究。結果顯示立筋邊緣沖擊損傷特性更加接近于層合板在軸向穩(wěn)態(tài)漸進壓潰過程中的損傷特性，而筋條帽緣沖擊損傷則與較高能量沖擊蒙皮中心后呈現(xiàn)的損傷特性類似。
　　(5)基于立筋邊緣沖擊響應與復合材料穩(wěn)態(tài)漸進壓潰狀態(tài)的相似性，將邊緣沖擊損傷引入壓縮破壞模型作為初始損傷，同時結合層內漸進損傷分析

5、模型與基于粘接接觸的分層模擬方法，預測了復合材料T型加筋板的壓縮剩余強度。通過壓縮強度、典型部位的載荷-應變曲線、應變分布、最終損傷模式等多方面比較對模型進行試驗驗證，結果顯示仿真結果與試驗結果具有較好的一致性。
　　(6)建立了復合材料I型加筋板壓縮剩余強度的數(shù)值預測方法。根據(jù)筋條帽緣沖擊損傷特性，將最大初始分層、凹坑附近的永久性壓入變形、層內損傷模式等因素作為初始條件加入強度分析中，并且發(fā)展了一種工程估算方法來判斷 I型筋條圓