混杂夹层结构低速冲击及剩余弯曲强度研究

发布时间：2020-10-26 18:45

　　 波纹夹层结构是典型的二维周期夹层结构,具有制造工艺简单、力学性能优良的特点,广泛应用于航空航天、舰船结构等。波纹夹层结构经常应用于舰船的舷侧、甲板以及上层建筑等位置,工作环境恶劣,易遭受码头撞击、物体跌落冲击以及漂浮物撞击等多种形式的冲击载荷,冲击后易形成损伤,降低其力学性能。国外众多学者开展了全金属或者全复合材料波纹夹层结构低速冲击及冲击后剩余压缩强度研究,而对复合材料面板/金属芯层混杂夹层结构低速冲击及冲击后剩余弯曲强度性能研究较少。本文分别制备了单一复合材料和混杂复合材料组成的层合板作为夹层结构的上下面板、金属波纹板作为芯材的混杂复合材料夹层结构,采用实验、理论分析和数值模拟方法对波纹芯材混杂夹层结构的基本力学性能、低速冲击和冲击后剩余弯曲承载性能开展研究,为其安全性评估提供理论基础,具有较大的工程意义和理论价值。全文主要包括以下内容:首先,采用试验与有限元模拟相结合的方法,研究了碳纤维增强树脂基体层合板为面板、梯形波纹铝合金为芯层的波纹夹层结构的抗低速冲击性能。制备碳纤维面板/铝合金波纹芯层的波纹夹层结构,对其进行不同冲击能量、不同冲击位置的试验研究,获取冲击变形吸能规律。基于Abaqus软件平台,结合Hashin失效准则及Yeh失效准则,建立了波纹芯材混杂夹层结构低速冲击的有限元数值模拟方法。通过有限元计算结果的反演,对波纹芯材混杂夹层结构低速机理进行了深入分析,获取了其冲击吸能及冲击损伤规律。其次,采用试验与有限元模拟相结合的方法,研究了芯层几何构型、芯层厚度、芯层材料和面板材料等因素对波纹芯材混杂夹层结构冲击冲击性能的影响。通过有限元计算,分析了相同重量、相同单胞波长的五种不同几何构型芯层的夹层结构低速冲击性能,获取了芯层几何构型对夹层结构低速冲击性能的影响规律。通过有限元计算及试验方法,分析了不锈钢芯层夹层结构低速冲击性能,得出了芯层材料对夹层结构低速冲击性能的影响规律。制备了以玻纤等六种低弹性模量、大断裂应变的纤维层合板为面板、以铝合金梯形波纹为芯层的夹层结构试样,通过冲击试验,获取了面板材料对夹层结构的冲击性能影响规律。再次,采用试验与有限元模拟相结合的方法,进行了波纹芯材混杂夹层结构冲击后剩余强度研究。制备了碳纤维层合板面板、铝合金梯形波纹芯层的弯曲试样,进行不同能量、不同位置的低速冲击,并进行冲击后三点弯曲试验,获取冲击能量及位置对夹层结构冲击后的剩余强度的影响规律。制备了以玻纤等六种纤维层合板为面板、以铝合金梯形波纹为芯层的弯曲试样,进行不同能量的低速冲击及冲击后三点弯曲试验,通过结果比对分析,获取面板材料对混杂夹层结构冲击后剩余弯曲强度的影响规律。最后,建立了波纹芯材混杂夹层结构低速冲击响应的近似计算方法。将低速冲击问题简化为两自由度动力学问题进行分析,得到了系统的二阶非线性微分方程,根据准静态计算得到的局部刚度和整体刚度,结合初始边界条件进行了数值求解,给出的近似计算方法可以应用于波纹芯材混杂夹层结构的低速冲击响应快速预报。
【学位单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U674.7
【部分图文】：

中国舰船研究院博士学位论文第一章 绪论1.1 立题背景及研究动机复合材料是由两种或两种以上组份材料所组成的新材料，由于它具有比强度高、比模量大等许多优于传统金属材料的性能，在航空航天、建筑、交通、机械、化工设备和船舶等许多领域都得到了愈来愈广泛的应用[1]。复合材料夹层结构则是由两个薄的“面板”与一种被称作“夹芯”的厚度大、材质轻的材料粘接而成。复合材料夹层结构的面板材料通常为坚固又具有较好强度的材料，如金属或纤维复合材料，如图 1-1（a）；复合材料夹层结构的芯层材料则主要分为两类：“细胞形式”和“结构形式”。细胞形式的芯材是由围壁包围的开放空间形成的“胞元”，并以不断重复的方式实现空间的填充，像蜂窝材料、泡沫材料和木材等；而“结构形式的”芯材则是由能够实现剪力有效传递的结构组成，像波纹夹芯等，如图 1-1（b）所示。

图 1-2 夹层结构与工字梁对比示意图复合材料夹层结构因比强度大、比刚度高等优点，广泛应用于航空航天、体育器间结构、舰船结构和风电叶片等[2-5]，如图 1-3（a）、（b）所示。而且，复合材料夹还可以通过在夹芯内部填充不同性能的材料，从而实现其他功能的需求，如吸波和。如图 1-3（c）所示的桅杆结构，通过在其内部填充吸波材料，可以增强桅杆的隐。（a）舰船结构 （b）风电叶片 （c）桅杆结构图 1-3 夹层结构在各领域的应用[6]与大多数复合材料一样，对复合材料夹层结构的安全带来最大威胁的是外界物体

混杂夹层结构低速冲击及剩余弯曲强度研究图 1-2 夹层结构与工字梁对比示意图复合材料夹层结构因比强度大、比刚度高等优点，广泛应用于航空航天、体育器材间结构、舰船结构和风电叶片等[2-5]，如图 1-3（a）、（b）所示。而且，复合材料夹层还可以通过在夹芯内部填充不同性能的材料，从而实现其他功能的需求，如吸波和散。如图 1-3（c）所示的桅杆结构，通过在其内部填充吸波材料，可以增强桅杆的隐身。
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本文编号：2857376