復(fù)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(fù)合材料加筋板是航空工程中普遍應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)細節(jié)件，其沖擊損傷容限特性對保證翼面類結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。本文以多尺度結(jié)合的損傷分析為突破點，開展了關(guān)于復(fù)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(nèi)容包括：
　　(1)針對復(fù)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(shù)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(yīng)變分布情況，并

2、根據(jù)試驗結(jié)果分析了失效機理。
　　(2)從復(fù)合材料層內(nèi)失效機理出發(fā)，采用連續(xù)介質(zhì)損傷力學方法建立了三維和平面應(yīng)力狀態(tài)下的復(fù)合材料層內(nèi)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(gòu)關(guān)系。損傷起始由Puck失效準則預(yù)測，損傷演化由斷裂面上的等效應(yīng)變控制，服從基于材料應(yīng)變能釋放的線性軟化行為。采用4種構(gòu)

3、型復(fù)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(nèi)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(fù)合材料層合板為例，預(yù)測了復(fù)合材料層合板的低速沖擊損傷響應(yīng)參數(shù)，試驗結(jié)果證明了復(fù)合材料低速沖擊損傷數(shù)值分析模型的預(yù)測能力。模型

4、在不同網(wǎng)格密度下的計算結(jié)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(jié)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(yīng)與復(fù)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(jié)合層內(nèi)漸進損傷分析

5、模型與基于粘接接觸的分層模擬方法，預(yù)測了復(fù)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(yīng)變曲線、應(yīng)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(jié)果顯示仿真結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。
　　(6)建立了復(fù)合材料I型加筋板壓縮剩余強度的數(shù)值預(yù)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(nèi)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