复合材料层合板低速冲击与剩余强度研究

发布时间：2020-05-21 09:49

【摘要】：随着复合材料在飞机结构中的广泛使用,在飞机运营和维护过程中,复合材料结构损伤的评估工作显得越加重要。由于复合材料对冲击载荷的敏感性,有必要对复合材料在低速冲击载荷作用下出现的损伤进行评估,判断含低速冲击损伤复合材料结构是否依旧满足安全性要求。目前冲击后的剩余强度是用于评估复合材料低速冲击损伤的主要依据,因此,本文对复合材料层合板低速冲击和冲击后的剩余强度进行了研究。研究内容具体包括以下几个方面:(1)通过对复合材料损伤容限相关适航要求的整理分析,确定了用冲击后剩余强度作为复合材料层合板低速冲击损伤的评估依据。针对现有常见的复合材料损伤容限分析方法的局限性,提出了一种复合材料层合板低速冲击损伤全过程仿真分析方法,并规划了验证试验的主要模块和内容。(2)以P2352W-19复合材料层合板为分析对象,选取不同的冲击能量,分别进行了低速冲击试验和冲击后的剩余强度评估试验。试验结果为后续全过程仿真分析方法中损伤模式和本构模型的确定提供了参考,并为后续仿真分析方法的有效性验证提供了依据。(3)以P2352W-19复合材料层合板为分析对象,完成了从低速冲击损伤发生到冲击后压缩破坏的全过程仿真分析。从冲击响应、损伤状态和剩余强度三个方面将仿真结果与试验结果进行了对比,验证了仿真分析模型的有效性和计算精度。并以所建立模型为基础,对低速冲击过程和冲击后的压缩破坏过程进行了进一步仿真分析。
【图文】：

损伤容限,复合材料结构,运输类飞机,适航

图 2.1 复合材料结构损伤容限相关适航条款运输类飞机适航标准 CCAR§25.571 和咨询通报 AC20-107B 中有关复合材料结构损伤容的主要内容概括如下[3][13]：（1）运输类飞机适航标准 CCAR§25.571：25 部中结构损伤容限要求在章节§25.571“结的损伤容限和疲劳评定”中进行了具体描述。§25.571(a)“总则”中对结构损伤容限评定要点及考虑的因素进行了明确规定，§25.571(b)“损伤容限评定”和§25.571(e)“损伤容限（离散源）评中对飞机结构在不同载荷情况下的损伤容限要求进行了明确规定。CCAR-25.571 中的各条规均在其对应的咨询通报 AC25.571-1D 中有更为具体的解释说明。（2）咨询通报 AC20-107B：AC20-107B 是针对航空器复合材料结构颁布的咨询通报，，中，AC20-107B§8“结构验证——疲劳和损伤容限”对复合材料结构损伤容限要求有着十分详明确的规定，包括复合材料结构损伤容限评定的目的、流程、要求、考虑因素等。2.2.2AC20-107B§8 损伤容限评定解读[13]AC20-107B“复合材料飞机结构”为整合所有适航标准颁发的针对于航空器复合材料结构

冲击损伤,剩余强度,类别划分,复合材料结构

图 2.2 损伤类别划分与各类别损伤对应剩余强度要求图 2.2 中，BVID 为目视勉强可见冲击损伤，VID 为目视可见冲击损伤。根据图示内容和AC20-107B§8 中的具体说明，可将复合材料结构的损伤容限要求（剩余强度要求部分）归纳为以下几点：① 含 BVID 和允许的最大制造缺陷的复合材料结构，应具备承受设计极限载荷的要求，即要求结构剩余强度大于设计极限载荷；② 含 VID(包括较大 VID)的复合材料结构，应具有承受设计限制载荷的能力，即要求结构剩余强度大于设计限制载荷；③ 含离散源损伤的复合材料结构，应具有承受返回载荷的能力，一般要求结构剩余强度大于 70%设计限制载荷。④ 出现结构设计时未预计到的意外损伤时，应立即报告制造商，等待处理。2.3.2 复合材料结构损伤容限评定流程根据上文中对复合材料结构损伤损伤容限相关适航条款的解读和要求介绍，确定的损伤容限评定流程图如图 2.3 所示，图 2.3 中所示的各流程均按照上文中复合材料结构损伤容限条款所
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】