金属-复合材料双层壁结构冰撞击响应与损伤研究

发布时间：2020-05-27 10:45

【摘要】：随着先进复合材料制造技术的发展和成本的降低,从飞行器的次结构件到主结构件,复合材料得到越来越广泛的应用。为了解金属-复合材料双层壁结构受到冰雹冲击后的损伤特性,本文采用2a12铝合金平板及T700/TDE-85复合材料层合板组成的双层壁结构作为研究对象开展了试验与数值模拟工作,并研究了不同参数对双层壁结构抗冰冲击性能的影响。本文主要研究内容包括:(1)针对金属-复合材料双层壁结构进行了冰球高速冲击试验。采用空气炮系统对双层壁结构进行4个冲击能量级别的冰球高速冲击试验,通过高速摄影仪和位移传感器记录了冰球的冲击过程以及试验件的响应过程,比较了不同冲击速度下双层板撞击点的位移和撞击点凹坑深度的变化规律,并采用无损检测技术对层合板进行内部损伤检测,发现铝合金平板的主要损伤形式为局部鼓包,复合材料层合板的主要损伤形式为分层损伤,采用各向同性铺层层合板的试验件具有较好的抗冰球冲击性能。(2)通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA对冰球高速冲击试验进行数值仿真分析,采用八节点实体网格建立试验件模型,铝板采用Johnson-Cook损伤模型,层合板采用基于Hashin失效准则的连续损伤模型,层合板的各层之间引入内聚力单元模型来模拟层合板的层间损伤。此外,使用SPH方法建立了冰球有限元模型,并采用冰的应变率相关材料模型。通过与冰球冲击试验对比撞击中心位移-时间曲线、铝合金平板变形曲线以及层合板的分层损伤形貌,验证了模型的有效性。(3)应用经过试验验证的有限元模型,改变冰球冲击能量、金属板厚度、壁板间距以及层合板的铺层方式,研究不同参数对双层壁结构的抗冰冲击响应与损伤的影响规律。本文通过对金属-复合材料双层壁结构冰冲击损伤与仿真分析方法的研究,获得了双层壁结构在冰载荷下的动态响应与损伤规律,为今后金属-复合材料组合结构的设计提供了参考依据。
【图文】：

为了降低构件重量，逐渐采用复合材料层合板来替代铝合金内壁。本文针对金属-复合材料双层壁结构开展冰球高速冲击试验与数值模拟的研究，并通过有限元模型来研究双层壁结构受冲击能量、壁板厚度等因素的影响规律，为今后双层壁结构的设计提供参考依据。1.2 国内外研究现状由于国内外对金属-复合材料双层壁结构的抗冲击损伤问题的研究很少，而铝合金作为一种各向同性的金属材料，对其力学性能的研究已经比较成熟。因此本节主要介绍复合材料层合板受冲击后的损伤与仿真分析以及冰冲击复合材料层合板的相关研究。1.2.1 复合材料层合板冲击损伤及仿真分析研究复合材料层合板结构的冲击损伤问题一直是国内外的研究重点[6]，早期的研究主要采取试验法进行，，通过摆锤冲击试验、落锤冲击试验和空气炮打靶试验等依次完成低速、中速和高速外物冲击试验来分别模拟真实环境下复合材料受到的不同类型的冲击。由于复合材料层合板的各向异性以及非均匀性等因素的影响，在受到冲击载荷后可能会出现多种损伤模式，包括纤维断裂，基体开裂、分层等其他几种混合失效模式，如图 1.2 所示。

2.1 引言复合材料具有优异的比强度和比刚度，在航空发动机上已经替代部分铝合金结构，比如航空发动机粒子分离器涡壳中的金属-复合材料双层壁结构。飞机在飞行过程中双层壁构件会遭受到冰雹高速冲击并造成不同形式的损伤，降低了复合构件的刚度与强度，会对飞机的飞行安全产生严重影响，因此研究双层壁结构在冰球载荷下的冲击损伤模式是有意义的。本章针对金属-复合材料双层壁结构进行了冰球高速冲击试验，通过高速摄影仪和位移传感器记录了结构受冰球冲击过程中的响应过程，比较了不同冲击速度下双层板撞击点的位移和撞击点凹坑深度的变化规律，并采用非破坏性技术对层合板进行损伤探测，分析不同冲击能量下层合板的损伤模式以及铺层方式对双层壁结构抗冰球冲击性能的影响。2.2 试验设备高速冲击试验在南京航空航天大学能源与动力学院完成，所用的试验设备及结构示意图如图 2.1 所示，试验设备主要包括空气炮系统、高速摄影仪、位移传感器、计算机、夹具及防护装置等。
【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】：2019
【分类号】：V250;V214

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本文编号：2683412