冰弹撞击CFRP复合材料的毁伤特性研究

发布时间：2022-09-29 21:03

　　碳纤维增强塑料（Carbon Fibre Reinforced Plastic,CFRP）以其耐烧蚀、耐高温、质量轻、比强度高、比模量大、减振吸能且易整体大面积成形等特点,逐渐取代了传统的金属材料,成为航空航天领域更为理想的结构材料。随着复合材料在航空器上的大量应用,在遭遇极端冰雹天气时复合材料的表现逐渐受到了各界的广泛关注。本文以CFRP平板及不同曲率的拱形板为研究对象,建立一级气体轻气炮/液氮冷却加载系统发射冰弹开展CFRP复合材料层合板的高速撞击实验,通过实验测试、数值模拟及理论分析对冰弹撞击CFRP平板和不同曲率的拱形板进行毁伤机理研究,并建立了相关理论模型。在冰弹以不同速度撞击CFRP平板及曲率半径分别为97mm、145mm和184mm的CFRP拱形板实验研究中,测量冰弹着靶处的冲击压力、着靶处附近X-Y方向的应变及挠度等物理量,利用高速摄像机对撞击过程进行图像采集,并且对撞击后的CFRP靶板切样进行微观分析。结果表明:冰弹撞击该CFRP平板的临界分层破坏压力阈值约为1700N;拱形CFRP板在典型工况（超过破坏阈值）下的撞击过程中纤维增强体的第5、6和7层产生了IFF,IF... 

【文章页数】：95 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 冰的力学特性研究
        1.2.2 碳纤维增强复合材料的实验研究
        1.2.3 冰雹粒子冲击载荷实验及相关数值模拟
        1.2.4 冰弹的本构模型的研究现状
    1.3 本文拟解决的关键问题
    1.4 本文的主要研究内容
第2章 实验系统的构建
    2.1 实验总体方案
    2.2 实验加载设备
        2.2.1 一级轻气炮
        2.2.2 霍普金森加载系统
    2.3 实验测试设备
        2.3.1 高速摄像机采集系统
        2.3.2 激光测速/爆速仪系统
        2.3.3 冲击压力测试数据采集系统
        2.3.4 电阻应变片/超动态应变仪测试系统
    2.4 实验材料
        2.4.1 CFRP平板
        2.4.2 不同曲率的CFRP拱形板
        2.4.3 实验弹丸的选择
    本章小结
第3章 冰弹高速撞击CFRP层合板的实验研究及分析
    3.1 冰弹高速撞击CFRP平板的实验研究
        3.1.1 实验及测试系统
        3.1.2 冰弹撞击CFRP平板的过程采集及分析
        3.1.3 着靶处冲击压力测量及分析
        3.1.4 着靶处X-Y方向应变测量及分析
        3.1.5 着靶处表面微观毁伤形貌分析
        3.1.6 着靶处靶板内部的微观分析
    3.2 冰弹撞击CFRP拱形板的实验研究
        3.2.1 实验及测试系统
        3.2.2 冰弹撞击CFRP拱形板过程的采集及分析
        3.2.3 着靶处挠度的测量及分析
        3.2.4 着靶处冲击压力的测量及分析
        3.2.5 着靶处附近X-Y方向应变的测量及分析
        3.2.6 着靶处靶板内部的微观结构分析
    本章小结
第4章 冰弹撞击CFRP层合板有限元数值模拟及实验验证
    4.1 冰弹高速撞击CFRP层合板数值模拟技术路线
    4.2 CFRP层合板的模型建立
        4.2.1 CFRP平板模型的建立
        4.2.2 CFRP拱形板模型的建立
    4.3 CFRP层合板本构方程的建立
    4.4 冰的参数获取及本构模型的建立
    4.5 网格设置
    4.6 CFRP复合材料层合板的失效准则
    4.7 冰弹高速撞击CFRP平板数值模拟与实验结果的对比
        4.7.1 冰弹高速撞击CFRP平板过程的对比分析
        4.7.2 冲击压力及着靶处附近应变的对比分析
        4.7.3 损伤模式对比分析
        4.7.4 冰弹高速撞击CFRP平板数值模拟的失效分析
    4.8 冰弹高速撞击拱形层合板数值模拟与实验结果对比
        4.8.1 冰弹高速撞击CFRP拱形板过程的对比分析
        4.8.2 冲击压力、应变及挠度的对比分析
        4.8.3 毁伤模式的对比分析
    本章小结
第5章 冰弹撞击CFRP层合板物理模型的建立
    5.1 冰弹撞击CFRP平板理论模型的建立
        5.1.1 经典层合板理论
        5.1.2 撞击模型的建立
        5.1.3 理论模型计算值与数值模拟结果对比
    5.2 冰弹高速撞击拱形层合板理论模型的建立
        5.2.1 CFRP拱形板的挠度理论控制方程
        5.2.2 撞击模型的建立
        5.2.3 理论模型计算值与数值模拟结果对比
    本章小结
结论
展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维复合材料在航空航天领域的应用研究[J]. 王铭辉.  现代商贸工业. 2019(08)
[2]T800级碳纤维复合材料抗冲击性能[J]. 王莉,熊舒,肇研,杨利.  航空材料学报. 2018(05)
[3]碳纤维增强复合材料的中低应变率力学性能试验研究[J]. 惠旭龙,刘小川,白春玉,舒挽,葛宇静.  装备环境工程. 2018(09)
[4]强冲击下PZT-5H压电陶瓷的动力响应及电输出特性研究[J]. 唐恩凌,李月,王睿智,韩雅菲,王利,相升海,李振波,高国文,林晓初,刘美,许迎亮.  兵工学报. 2018(05)
[5]碳纤维复合材料在航天大尺寸结构中的应用[J]. 张昱煜,梁海朝,李强,水涌涛.  军民两用技术与产品. 2017(07)
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博士论文
[1]纤维增强树脂基复合材料层合板抗侵彻性能数值模拟研究[D]. 辛士红.中国科学技术大学 2015
[2]含分层损伤复合材料（CFRP）层合板结构屈曲和后屈曲力学行为研究[D]. 宫文然.天津大学 2015
[3]冰载荷作用下碳纤维复合材料桁条加筋曲面板的冲击动力响应研究[D]. 宋振华.暨南大学 2014

硕士论文
[1]高速撞击下压电陶瓷的动力响应及电输出特性研究[D]. 王睿智.沈阳理工大学 2018
[2]碳纤维层合板分层损伤声发射特性研究[D]. 王骁.东北石油大学 2017
[3]碳纤维编织复合材料筋材的制备与性能分析[D]. 付成龙.天津工业大学 2016
[4]冰的韧脆转变行为研究[D]. 任晓辉.大连理工大学 2005



本文编号：3683305