基于有限元仿真的CFRP复合材料抗冲击性能优化

发布时间：2020-03-20 10:47

【摘要】：本文选用单向T700/6240碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)预浸料,通过热压成型工艺制备层合板。利用低速冲击实验,研究不同冲击能量下,层合板的损伤形式及损伤机理。利用ABAQUS有限元软件,建立T700/6240复合材料层合板低速冲击模型,通过对比仿真结果与实验数据,分析模型误差并对几何模型进行修正,最终建立适用于全能量场的低速冲击模型。基于该低速冲击模型,研究玻璃纤维、凯夫拉纤维混杂及层间增韧方法对复合材料层合板抗冲击性能的影响。低速冲击实验结果表明,冲击能量由10J增至25J,T700/6240复合材料层合板的最大载荷由4230N增长至7538N,当冲击能量大于18J之后,层合板最大载荷增长放缓,故认为本文制备的T700/6240层合板冲击阈值出现在18J附近。基于ABAQUS有限元软件,采用三维Hashin损伤判据建立模型,在三种冲击能量下,最大载荷误差均小于19%,冲头最大位移误差均小于14%,模型满足建模精度。研究不同种类纤维混杂对层合板抗冲击性能的影响,得到玻璃纤维混杂的最佳位置为外层混杂,最佳混杂比为1/6,较单一碳纤维层合板,冲头最大位移提升7.58%,临界穿透能增长1.7%。同时对于凯夫拉纤维混杂,得到其最佳混杂位置为外层混杂,最佳混杂比为1/6,较单一碳纤维层合板,最大载荷提升了2.73%,最大位移增大7.16%,且纤维层损伤总面积减小28.20%。对于层间增韧方法而言,层合板抗冲击性能优化效果最佳的方案为中间增韧12层。具体表现为该种层合板的最大载荷提升6.26%,冲头最大位移提升7.23%,同时纤维层损伤面积减小25.90%。增韧膜的加入使得层合板的能量释放率增大,通过塑性屈曲的形式提供更大的变形,进而吸收更多的冲击能量。
【图文】：

料抗冲击性能优化的国内外研究现状料抗冲击性能实验及仿真领域发展至今，已有众多国内外专家学者对复合材料的冲击研究方法主要可以分为实验和仿真两种。低速冲击实验方面曲线，分析低速冲击机理：高峰[16]等通过表征低速冲击实验之间的关系，发现分层损伤起始时刻与该曲线上出现首个明 1-1 所示。

图 1-2 横向冲击装置示意图 图 1-3 不同混杂比载荷-时间曲线G. H. Majzoobi 等[43]人对比了Kevlar/环氧树脂复合材料和Kevlar 织物在冲击条件下的行为，发现织物在冲击条件下具有较高的延展性，而 Kevlar/环氧树脂复合材料中的树脂会以栓子的形式使破坏机制由韧性变为脆性。Periyasamy Manikandan 等[44]通过实验和仿真相结合的方法研究了单层板能量吸收对纤维-金属层合板损伤的贡献，发现脆性面冲击试样比延性面冲击试样冲击能量吸收小，表现出较少的集中损伤。由于纤维混杂层合板的制备工艺复杂，碳纤维及混杂纤维的成本高昂，单纯通过实验方法优化层合板抗冲击性能有一定的限制性，在此情况下，仿真方法就因其高效、低成本的优点，在层合板抗冲击性能优化方面做出了极大的贡献。杨斌等[45]基于热压成型工艺制备了玻璃纤维-碳纤维混杂复合材料层合板，结合仿真云图发现，冲击引起的应力在碳纤维层中的分布区域要明显大于在玻璃纤维中的分布区域。Supriya Kunwar 等[46]利用 ABAQUS 软件，对玻璃纤维、碳纤维和凯夫拉纤维组成的层合板进行锥形冲头的
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332;TB115

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本文编号：2591676