CFRP层合板低速冲击行为与损伤机理研究

发布时间：2020-03-27 18:12

【摘要】：碳纤维增强聚合物基复合材料(Carbon fiber reinforced polymers,简称CFRP)具有比模量和比强度高、耐疲劳、低热膨胀系数、低导热率等优异特性,广泛应用于航空、航天、交通等领域。CFRP层合板是由单向碳纤维或编织布与树脂基体通过层合热压而成,碳纤维的排布通常都集中在层合板面内各方向上,而在法向方向上的强度则主要依赖于基体树脂的强度,所以CFRP在该方向上的强度相对较低,易在受到冲击时产生损伤而导致严重后果。因此,研究CFRP在冲击过程中的力学响应、抗冲击性、能量吸收及损伤机理具有重要意义。本文分析了冲击过程中冲头和CFRP层合板的相互作用,通过试验研究了3 J至12 J的能量区间内单向连续CFRP层合板在冲击过程中承载的载荷、变形和响应时间的对应关系,并对其损伤机理进行了分析。与此同时,对三维Chang-Chang渐进失效准则进行改进,建立了单向连续CFRP层合板低速冲击响应的有限元分析模型,并将对应的模拟结果与试验测试数据进行对比。结果表明,随着冲击能量增加,单向连续CFRP层合板的损伤越大,其在低速冲击下的主要损伤模式为基体开裂和分层,冲击损伤形状大致呈不规则椭圆形,损伤主要沿着纤维方向扩展,改进模型的预测结果与测试数据较为吻合。在较高冲击能量下层合板的冲击响应曲线会出现载荷作用二次下降的现象,即冲击过程中的冲头对层合板的二次破坏;CFRP层合板的冲击后压缩(Compression after impact,简称CAI)损伤模式中主要为贯穿型纵向长裂纹,其中大部分裂纹均穿过冲击损伤区域。采用有限元模拟和试验研究相结合的方法对[0/90]_(6s)和[45/-45/0/90]_(6s)两种铺层结构的CFRP层合板在不同冲击能量水平下的冲击响应、面内损伤以及层间损伤进行了研究。同时,对冲击过程中层合板对冲击能量的吸收和转化进行了探讨,分析了冲击能量和铺层角度对CFRP层合板的抗冲击性和剩余性能的影响。模拟与试验结果表明,与正交层合板相比,±45°铺层能够提高CFRP层合板的抗冲击性;相同冲击能量下,[45/-45/0/90]_(6s)铺层结构的CFRP层合板的损伤程度更小,剩余压缩强度更高。在3 J至21 J的能量区间内,由于冲头以反弹动能的形式带走部分能量,冲击能量不能被层合板完全吸收,而被吸收的能量则以弹性比能、破坏吸能和粘弹性吸能的形式被层合板吸收和转化。CFRP层合板吸收的弹性比能随着冲击能量的增加而增加,至12 J时达到最大吸收值;CFRP层合板的破坏吸能始终存在且直接影响试样的剩余性能,当冲击能量达到12 J后破坏吸能占冲击能量的比例迅速增加至50%左右;粘弹性吸能占比较小,但在较高冲击能量下的吸收值高于反弹动能。冲击能量达到12 J后CFRP层合板会出现树脂和纤维的断裂等损伤行为而导致层合板的刚度降低,且随着冲击能量的增加损伤程度增加。基于提高复合材料冲击损伤容限的目的,设计并制备了非连续碳纤维铺层结构的CFRP层合板,采用有限元模拟和试验相结合的手段对其冲击行为、拉伸行为及损伤机理进行了研究。结果表明:当冲击能量为6 J和9 J时,非连续铺层结构层合板的抗冲击性优于单向连续层合板,其中短交叠层合板的抗冲击性最好,模拟与试验结果相吻合;非连续铺层结构层合板能够抑制沿纤维方向裂纹的快速扩展,使得层合板在冲击后仍能保持较高的强度。在拉伸应力作用下,非连续铺层结构延滞断裂扩展的特性提高了CFRP层合板的损伤容限,且随着非连续铺层结构交叠长度的减小,延滞断裂扩展的特性增强,但层合板拉伸强度的保留率逐渐减小;通过对不同非连续铺层结构CFRP层合板的拉伸强度进行拟合,所建立的非连续铺层结构层合板的拉伸强度预测模型可以较为方便的估算不同交叠长度下层合板的拉伸强度和延展性。此外,本文提出了一种简便的量化面积法估算非连续铺层结构层合板的损伤面积,该方法与采用图像分析软件Image-Pro Plus对损伤面积的测量结果相比,量化误差均在12%以内,具有良好的准确性。
【图文】：

时间曲线,混杂层,冲击接触,合板

图 1-1 七种混杂层合板的冲击接触力-时间曲线[22]Fig. 1-1 The typical impact load time curves of seven hybrid laminates[22件也会对材料的性能产生影响，如冲头尺寸、冲击能量和过程中的力学响应产生影响。Zhou 等[25]研究了冲击角度铺层顺序对 CFRP 层合板的冲击响应的影响。通过改变冲的接触条件，发现冲击角度和冲头尺寸的改变对层合板的有重要影响。当条形冲头垂直冲击层合板表面层的纤维时击力和更严重的纤维损伤。此外，，随着冲头直径的增加，虽然半球形冲头产生的冲击力较小，但仍会导致严重的层内环境因素对复合材料的性能表征也有一定的影响。Zhou 冲头直径对蜂窝增强层合板的低速冲击响应的影响。结果层合板冲击点的位移会随着温度的增加而增加；但是，层的增加而减小。冲击中聚合物基复合材料的能量转化与吸收可以对冲击能量进行转化的力学响应主要有变形、损伤等

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第 1 章绪论在冲击的初始阶段，部分冲击能量被材料的弹性变形和摩擦所量大于材料变形所吸收的能量，则多余的能量将被塑性变形或，Nisini 等[31]将冲击滞后曲线分为三个能量吸收阶段：弹性吸弹能。Balaganesan 等[32]不仅对修复的复合材料在低速冲击过程能量吸收进行了计算，还对基体开裂吸能和修复区域的剪切吸不同冲击能量下冲头的下落速度是不同的，因而也会对冲击过hanto 等[33]认为冲击能量和时间之间的关系如图 1-2 所示。其中时的最大能量。在冲击能量-时间曲线的终点可估算弹性吸能（散的能量 Ee）和被吸收的能量（在冲击过程中耗散的能量 Ea系可以写成公式（1-1）。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332;TQ327.3

【参考文献】