循环湿热作用下环氧树脂动态力学行为与本构模型研究

发布时间：2020-05-12 22:08

【摘要】：三维编织复合材料作为新型材料应用于航空发动机风扇叶片,航空发动机在服役期间经历飞行,停放等不同干湿度交替循环过程,必然会带来复合材料的湿热老化。且航空发动机风扇叶片通常处于高速状态,所受的外物损伤问题具有在短暂时间尺度上发生载荷显著变化的特点,即处于高应变率状态特点。考虑到碳纤维对湿热环境的稳定性和对应变率不敏感性,从材料微观力学角度出发,对三维编织复合材料基体——TDE86环氧树脂湿热演化后的动态力学性能以及本构模型开展研究。本文前期用真空浇注法和高低温湿热循环试验箱分别浇注和湿热老化处理了环氧树脂。以人工模拟风扇叶片服役期间的真实环境,得到湿热循环老化周期0、1、7、14、28、56、70、140天的环氧树脂,对应的发动机服役年限分别为0、1月、6月、1年、2年、4年、5年、10年。利用MTS疲劳试验机和霍普金森拉杆装置分别开展了不同湿热循环周期的环氧树脂的准静态和动态力学性能测试,应变率范围7.5×10~(-6)~1000s~(-1)。获得了湿热循环对树脂力学性能的影响特点,且基于ZWT粘弹性本构模型,修正得到包含循环湿热影响因子的ZWT模型。结合高、低应变率下的树脂不同力学性能特点,拟合出适用于湿热循环作用的粘弹性本构模型。本文得到的环氧树脂在湿热循环作用下的吸湿规律、裂纹损伤演化过程以及包含湿热效应、应变率效应的粘弹性本构关系,使之为评估和预测三维编织碳纤维复合材料受到湿热循环作用后的抗外物损伤能力的有效实验数据支撑。
【图文】：

拉伸试验,静态,固化剂

制备艺选取树脂是脂环族环氧树脂，固化剂一般采用芳香胺类固化剂操作性，，选取环氧基/氨基摩尔比 1:0.875[57]，得到最佳性TDE-86 环氧树脂与间苯二胺固化剂按质量比 2.1:1 经5℃/3h，升温速率 10℃/min 由真空浇注机浇注固化而成。确保固化过程试验件内部尽可能无气泡，满足了复合材料设计27-2-2012《塑料拉伸性能测试方法》要求，设计的试验件件设计为哑铃型。考虑到应变数据测量需要用引伸计以及过素，设计平行段长度为 25mm、直径 4mm，以保证湿热循态试验数据。为了弥补表面粗糙度对力学性能带来的影响保表面的足够光滑。

曲线,动态拉伸,试验件,静态试验

图 2.2 动态拉伸试验件为了确保相同吸湿效果，动态、静态试验件需等直径的设计，后续也能科学地将静态应力应变曲线试验数据对比，探索其力学性能的应变率效应。考虑到实验次数较多提高试验效率，动态拉伸试验件设计为双螺纹连接方式；动态拉伸试件平行段设计更短尽可能避免由于动态拉伸产生不稳定的振荡，将外界干扰信号影响最小化。其次确保在下具有更好的载荷对称性，试验件均设计为圆柱形。2.3 湿热循环老化谱制定飞机在十几年的服役期限内会经历飞行，降落，停放等过程，在这些过程中自然而然受不同的湿度热度的交替变化。为了尽可能地模拟出相应的载荷谱，我们应该对地面停境进行最大程度地加速，在这其中考虑两个主要的因素，温度及湿度。而对于飞行状态变化要考虑真实气动加热对结构的影响。应该完全模拟飞机在使用中湿热老化过程，但虑到成本及环境等种种因素后，这种方案的可行性其实是比较低的，所以应该考虑加快来获到标准的加速湿热老化。以较快地积累许多有用的数据，缩短试验周期，节省试验用。
【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】：V232.4;V255.1

【参考文献】