强动载荷下纤维-金属层合板及其增强梯度夹芯结构的力学行为

发布时间：2020-11-18 06:53

　　 纤维-金属层合板(Fiber-Metal Laminates,FMLs)是指由金属薄板和纤维增强树脂在厚度方向上进行交替铺设,在一定温度与压力作用下形成的层间混杂复合结构。相较于传统金属密度较大、抗疲劳性能较弱、强度较低等缺点,纤维金属层合板结合了金属和纤维复合材料各自的优点,具有比强度高、良好的损伤容限以及抗疲劳性、抗冲击性能优异等特点。其中,玄武岩纤维有着优良的耐高温、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、环境友好等特点,受到了国内外学者的广泛关注。由纤维-金属层合板与多孔金属构成的梯度夹芯结构,能够充分利用二者各自的优点,其中纤维-金属层合板可为结构提供较高的抗拉与抗弯能力,而多孔金属芯层则为结构提供较高的能量吸收能力,因此,发展纤维增强梯度多孔金属夹芯结构,阐明纤维金属层合板及其增强梯度夹芯结构在强动载荷下的变形失效模式和能量耗散机理,建立其典型的动力学分析模型,对夹芯结构的面板组成、几何尺寸、芯层梯度分布等进行优化设计,将进一步提高结构轻量化设计水平和抗冲击性能,从而使多孔金属夹芯结构更好的服务于航空航天,高速运载,新能源开发等各领域。本文采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法系统研究了纤维金属层合板及其增强梯度夹芯结构在强动载荷作用下的力学行为。研究内容主要包括以下几个方面:(一)以单向复合材料Hashin失效准则为基础,建立了平纹复合材料3D渐近损伤模型(3D-CDM);(二)爆炸载荷作用下玄武岩纤维-金属层合板的动力学行为;(三)爆炸载荷作用下纤维-金属层合板增强梯度夹芯结构的动力学行为。文中主要讨论了爆炸载荷作用下结构的变形失效模式、能量吸收和变形机理以及抗冲击性能,取得如下重要成果:以单向复合材料Hashin失效准则为基础,考虑面内剪切非线性力学行为特性、面内纤维方向弹性模量及强度应变率效应,建立了应力判断损伤起始准则;结合断裂能及三个主方向残余压缩强度,建立了应变描述损伤演化机制;最后结合损伤起始准则判据和损伤演化机制,通过Fortran语言编写了适用于Abaqus有限元软件分析的平纹复合材料3D渐近损伤模型子程序(VUMAT),通过与已有实验进行对比,验证了模型的可靠性。采用自行研制的弹道冲击摆锤系统结合数值模拟方法得到了爆炸载荷下纤维金属层合板在不同冲量下的典型变形失效模式:整体塑性大变形,金属层面内屈曲/折叠,纤维断裂,界面脱胶。与等厚度的金属板相比,高强度复合材料层的加入可以显著提高结构的抗爆性能。且综合考虑冲击加载后结构的完整性、损伤程度以及最终挠度,与相同铺设方式的碳纤维-金属层合板相比,玄武岩纤维-金属层合板表现出了更加优越的抗爆性能。玄武岩纤维-金属层合板的抗爆性能依赖于复合材料的铺层数。当金属铺层厚度不变,增加复合材料铺层数可以显著提高玄武岩纤维-金属层合板的抗爆性能。通过对比结构最大瞬态挠度与最终挠度发现,由于纤维层较高的比刚度,结构具有较大的弹性回弹,尤其是当金属体积分数较低,纤维层体积分数较高时,选取最终挠度作为衡量结构抗爆性能的评价指标会显著高估结构的抗爆能力,所以在纤维-金属层合板抗爆性能评价体系中,应根据不同需求综合考虑结构的最大瞬态挠度与最终挠度。利用弹道冲击摆锤系统,开展了爆炸载荷下纤维金属层合板增强梯度夹芯结构动力学响应的实验研究,探讨了爆炸载荷作用下芯层排列和加载条件对FML增强梯度夹芯结构的变形失效模式,芯层压缩规律,能量分配机制的影响。在爆炸载荷作用下FML增强梯度夹芯结构前面板的变形失效模式受顶面芯层的几何构型的影响,主要表现为花瓣状撕裂、压入变形、中心区域层间脱胶;芯层主要表现为中心区域的压缩密实化、破碎及剪切失效,基于芯层区域(整体变形区域、局部密实化区域和完全密实化/失效区域)划分假设,给出了芯层能量吸收的经验计算方法,得到了不同爆炸载荷作用下芯层的能量吸收,并绘制了芯层变形模态图,定量的分析了芯层的压缩量、侵入深度以及压缩面积;背面板主要表现为整体的塑形大变形及界面脱胶失效。通过对比不同梯度排列夹芯结构的背面板中心点残余挠度,分析了面板材质、芯层孔径变化和壁厚变化、载荷工况对结构抗冲击性能的影响。结果表明,当芯层单胞边长固定时,在迎爆面至背面板之间芯层以相对密度从小到大排列的结构具有最优的防爆性能;当壁厚固定时,在较小冲量作用下芯层相对密度从大到小排列的夹芯结构性能最好,但是当冲量增加时,非梯度芯层具有最佳的抗冲击性能。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

继续了福克公司的研究并研发出了结合金属优秀断裂韧性、抗冲击性能和高性能纤维良好抗疲劳性、高比强度等特点的纤维金属层合板（FML: Fiber Metal Laminate）见图1-1。随着技术的不断发展，这一结构被大量使用在航空航天等领域，如A320，A380见图1-2等等。在此类结构中，纤维材料的选取将影响相应结构的力学与物理性能，从而决定其应用领域。图1-1 典型的FML层合板示意图Fig.1-1 Typical Fiber-metal laminates90年代初，研究人员用玻璃纤维取代了第一代FML中的芳纶纤维，研制出了第二代FML: 玻璃纤维-铝合金层合板

图1-2 GLARE在A320上的应用Fig.1-2 Application of GLARE in A-320 fuselage孔金属夹芯复合结构是指由复合材料或者金属覆盖在多孔金属表面见图1-3。其中由复合材料或金属形成的面板主要提供结构的抗拉与属芯层则主要承受横向剪切载荷，利用其低应力平台这一特点充分18,19]。这一结构具有轻质、高强度、集多功能于一体等优势，在航交通等领域被广泛使用见图1-4。而在这些服役环境中，结构往往击、爆炸等极端载荷的作用，因此需要充分了解多孔金属夹芯复合下的变形/失效机制，从而针对具体的服役环境对结构进行优化设计究表明，如果对芯层沿某一方向进行梯度化设计将可以有效缓解而降低结构的破坏程度，提高其抗冲击能力[20-22]，因此，以梯度多结构在抗冲击性能方面具有广阔的应用前景。另一方面，在多孔金计与应用中，其面板主要采用传统金属材料，如铝材、钢材等，而

太原理工大学博士研究生学位论文3图1-3 典型的夹芯结构Fig.1-3 Typical sandwich structure图1-4 多孔夹芯结构在不同领域应用Fig.1-4 Application of sandwich structure in different fields综上所述，玄武岩纤维金属层合板在多样化、轻量化设计，抗冲击性能等方面有着显著的优势，关于其在强动载荷下的力学行为研究是冲击动力学领域值得深切关注的前沿性热点。与传统的玻璃纤维相比，玄武岩纤维有着不逊于玻璃纤维的高比强度、高比刚度；与碳纤维相比，有着更大的失效应变，更好的抗爆炸冲击加载性能，以及良好的环境友好性[23]，玄武岩纤维复合材料作为替代玻璃纤维制品在工程应用方面具有巨大的潜力。因此对玄武岩纤维金属层合板的抗爆性能及失效机理研究，以及充分利用纤维-金属层合结构和梯度多孔金属各自优势特点，发展玄武岩纤维层合板以及玄武岩纤维增强梯度多孔金属夹芯结构
【参考文献】

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1 陈琪;关志东;黎增山;;GLARE层板性能研究进展[J];科技导报;2013年07期

2 陈园方;李玉龙;刘军;刘元镛;;典型前缘结构抗鸟撞性能改进研究[J];航空学报;2010年09期

3 郑长良;朱公志;刘文博;王荣国;;碳纤维增强镁合金层合板及其基本力学性能[J];材料工程;2007年S1期

本文编号：2888441