冰的制备及力学特性研究
发布时间：2021-08-16 00:41
随着社会的进步与发展,飞机日益成为民众远行的首选交通工具,当今飞机制造商为了将飞机做的更大、更轻以便最大限度的提升其载重量,在制造过程中大量使用了碳纤维增强复合材料（CFRP）。然而,飞机在起降过程中容易遭遇冰雹的撞击,而CFRP在诸如冰雹之类的外载荷冲击作用下性能会严重下降,严重危及到乘客及机务人员的生命安全。因此,为了揭示冲击过程中冰与飞机的相互作用机理,并为今后飞机的设计提供相关数据基础,本文利用实验制冰的方法对冰雹的相关动态力学特性进行研究。因此,为了明确冻结温度及棉絮含量对冰动态压缩力学特性、破坏形态及能量变化的影响,通过在去离子蒸馏水中添加不同比例的棉絮并对冻结温度进行合理的控制进而制备出-10°C、-20°C及-30°C冻结温度下含棉量分别为0%、0.3%和0.5%的试件。利用分离式霍普金森压杆（SHPB）并结合高速摄像机开展了不同加载条件下冰试件的动态压缩实验,并利用有限元软件LSDYNA对相同工况下的实验进行数值模拟。得到的结论如下:相同冻结温度下,含棉量不同试件均出现随撞击杆速度增加而强度极限增大的现象;含棉量相同的试件,随冻结温度的降低,试件...
【文章来源】：沈阳理工大学辽宁省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
波音“梦想客机”复合材料占比示意图
庥隼妆┨炱??淙辉诟檬奔涠文?飞行速度相对较低，但是复合材料部件若遭到冰雹的撞击，造成的后果往往很严重。2017年7月，乌克兰子公司的A320客机在爬升阶段突然受到冰雹撞击，飞机机鼻以及风挡部分受损严重，飞行员只能在能见度极低的情况下采取紧急迫降手段。2018年7月，天津航空A320/B1052飞机在郑州空域遭遇雹击，致使左右风挡外层破裂以及气象雷达失效。2019年5月，南航的A380客机在由广州飞往北京降落的过程中遭遇冰雹袭击，造成机鼻部分损伤，驾驶舱风挡玻璃破裂，所幸机组人员按相关规范谨慎操作使得飞机安全降落。图1.2及图1.3分别为飞机遭遇冰雹袭击后机鼻以及风挡的损伤情况。图1.2机鼻损伤情况图1.3风挡损伤情况Fig.1.2AircraftnoseinjuryFig.1.3Aircraftwindshieldinjury由于在撞击过程中冰雹与飞机之间的相对速度较大且作用时间较短，因此根据冲量定理可知，一定质量的冰雹撞击到飞机的复合材料后会对其产生较大的冲击载荷。而这会对飞机的相关结构造成不同程度的损伤甚至直接导致局部结构发生严重破坏而失去承载能力。根据相关研究成果可知，对于由高强度纤维组成的复合材料来说，当外界的冲击能量达到5J时即可使其压缩强度减小到原有的32%左右，而且还会对材料本身的弯曲效应以及疲劳强度造成不可忽略的影响，给飞机整体结构带来安全隐患[1]，这严重危及到了乘客以及相关机组人员的人身安全。此外，不同于其他材料，冰在冲击条件下本身形态时刻都在发生变化，力学性质极具复杂性。由文献[2,3]可知，当冰与其他材料发生冲击作用时，其载荷会在短时间内出现急剧线性增加，而进入卸载段之后则又以非线性趋势进行卸载，表现出较为明显的流体特性。并且在加载段与卸载段之间不存在明显的平台期，其动态
天气，虽然在该时间段内飞行速度相对较低，但是复合材料部件若遭到冰雹的撞击，造成的后果往往很严重。2017年7月，乌克兰子公司的A320客机在爬升阶段突然受到冰雹撞击，飞机机鼻以及风挡部分受损严重，飞行员只能在能见度极低的情况下采取紧急迫降手段。2018年7月，天津航空A320/B1052飞机在郑州空域遭遇雹击，致使左右风挡外层破裂以及气象雷达失效。2019年5月，南航的A380客机在由广州飞往北京降落的过程中遭遇冰雹袭击，造成机鼻部分损伤，驾驶舱风挡玻璃破裂，所幸机组人员按相关规范谨慎操作使得飞机安全降落。图1.2及图1.3分别为飞机遭遇冰雹袭击后机鼻以及风挡的损伤情况。图1.2机鼻损伤情况图1.3风挡损伤情况Fig.1.2AircraftnoseinjuryFig.1.3Aircraftwindshieldinjury由于在撞击过程中冰雹与飞机之间的相对速度较大且作用时间较短，因此根据冲量定理可知，一定质量的冰雹撞击到飞机的复合材料后会对其产生较大的冲击载荷。而这会对飞机的相关结构造成不同程度的损伤甚至直接导致局部结构发生严重破坏而失去承载能力。根据相关研究成果可知，对于由高强度纤维组成的复合材料来说，当外界的冲击能量达到5J时即可使其压缩强度减小到原有的32%左右，而且还会对材料本身的弯曲效应以及疲劳强度造成不可忽略的影响，给飞机整体结构带来安全隐患[1]，这严重危及到了乘客以及相关机组人员的人身安全。此外，不同于其他材料，冰在冲击条件下本身形态时刻都在发生变化，力学性质极具复杂性。由文献[2,3]可知，当冰与其他材料发生冲击作用时，其载荷会在短时间内出现急剧线性增加，而进入卸载段之后则又以非线性趋势进行卸载，表现出较为明显的流体特性。并且在加载段与卸载段之间不存在明显的平台期，其动态
【参考文献】：
期刊论文
[1]动荷载下峰后破裂砂岩能量耗散特征研究[J]. 刘洋,何健,张志雄. 有色金属工程. 2019(05)
[2]高应变率下纯水冰和杂质冰的动态力学行为[J]. 李尚昆,冯晓伟,谢若泽,张方举,胡文军,徐伟芳,黄西成. 爆炸与冲击. 2019(09)
[3]冰在低温下的单轴压缩力学行为和破坏机制[J]. 张永康,李玉龙,汤忠斌,金康华,杨洪. 固体力学学报. 2018(05)
[4]淡水冰三轴压缩力学特性试验研究[J]. 单仁亮,白瑶,隋顺猛,杨昊,段俊铭. 应用基础与工程科学学报. 2018(04)
[5]高应变率下预制单节理岩石SHPB劈裂试验能量耗散分析[J]. 李淼,乔兰,李庆文. 岩土工程学报. 2017(07)
[6]ASTM F320—2010标准冰雹的抗压力学性能实验研究[J]. 徐曼,陈勇,王安正. 科学技术与工程. 2016(16)
[7]冰力学参数的超声波测试研究[J]. 郭耀,李刚,贾成艳,常天英,崔洪亮,马科夫·阿列克谢. 极地研究. 2016(01)
[8]冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究[J]. 张文清,石必明,穆朝民. 采矿与安全工程学报. 2016(02)
[9]SHPB试验中花岗岩破坏程度与能量耗散关系分析[J]. 于水生,卢玉斌,朱万成,蔡勇. 东北大学学报(自然科学版). 2015(12)
[10]三峡库区泥质粉砂岩的SHPB试验及能量耗散特征研究[J]. 黄明,詹金武,胡柳青,张旭东. 工程地质学报. 2015(06)
博士论文
[1]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
[2]三维多胞机织复合材料冲击响应和能量吸收特征[D]. 唐予远.东华大学 2008
硕士论文
[1]冲击荷载下弱风化花岗岩的应力波传播特性及能量耗散研究[D]. 兰德沛.江西理工大学 2018
[2]高应变率下煤系砂岩力学性能及能量耗散规律研究[D]. 郭世儒.中国矿业大学 2017
本文编号：3345232
【文章来源】：沈阳理工大学辽宁省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
波音“梦想客机”复合材料占比示意图
庥隼妆┨炱??淙辉诟檬奔涠文?飞行速度相对较低，但是复合材料部件若遭到冰雹的撞击，造成的后果往往很严重。2017年7月，乌克兰子公司的A320客机在爬升阶段突然受到冰雹撞击，飞机机鼻以及风挡部分受损严重，飞行员只能在能见度极低的情况下采取紧急迫降手段。2018年7月，天津航空A320/B1052飞机在郑州空域遭遇雹击，致使左右风挡外层破裂以及气象雷达失效。2019年5月，南航的A380客机在由广州飞往北京降落的过程中遭遇冰雹袭击，造成机鼻部分损伤，驾驶舱风挡玻璃破裂，所幸机组人员按相关规范谨慎操作使得飞机安全降落。图1.2及图1.3分别为飞机遭遇冰雹袭击后机鼻以及风挡的损伤情况。图1.2机鼻损伤情况图1.3风挡损伤情况Fig.1.2AircraftnoseinjuryFig.1.3Aircraftwindshieldinjury由于在撞击过程中冰雹与飞机之间的相对速度较大且作用时间较短，因此根据冲量定理可知，一定质量的冰雹撞击到飞机的复合材料后会对其产生较大的冲击载荷。而这会对飞机的相关结构造成不同程度的损伤甚至直接导致局部结构发生严重破坏而失去承载能力。根据相关研究成果可知，对于由高强度纤维组成的复合材料来说，当外界的冲击能量达到5J时即可使其压缩强度减小到原有的32%左右，而且还会对材料本身的弯曲效应以及疲劳强度造成不可忽略的影响，给飞机整体结构带来安全隐患[1]，这严重危及到了乘客以及相关机组人员的人身安全。此外，不同于其他材料，冰在冲击条件下本身形态时刻都在发生变化，力学性质极具复杂性。由文献[2,3]可知，当冰与其他材料发生冲击作用时，其载荷会在短时间内出现急剧线性增加，而进入卸载段之后则又以非线性趋势进行卸载，表现出较为明显的流体特性。并且在加载段与卸载段之间不存在明显的平台期，其动态
天气，虽然在该时间段内飞行速度相对较低，但是复合材料部件若遭到冰雹的撞击，造成的后果往往很严重。2017年7月，乌克兰子公司的A320客机在爬升阶段突然受到冰雹撞击，飞机机鼻以及风挡部分受损严重，飞行员只能在能见度极低的情况下采取紧急迫降手段。2018年7月，天津航空A320/B1052飞机在郑州空域遭遇雹击，致使左右风挡外层破裂以及气象雷达失效。2019年5月，南航的A380客机在由广州飞往北京降落的过程中遭遇冰雹袭击，造成机鼻部分损伤，驾驶舱风挡玻璃破裂，所幸机组人员按相关规范谨慎操作使得飞机安全降落。图1.2及图1.3分别为飞机遭遇冰雹袭击后机鼻以及风挡的损伤情况。图1.2机鼻损伤情况图1.3风挡损伤情况Fig.1.2AircraftnoseinjuryFig.1.3Aircraftwindshieldinjury由于在撞击过程中冰雹与飞机之间的相对速度较大且作用时间较短，因此根据冲量定理可知，一定质量的冰雹撞击到飞机的复合材料后会对其产生较大的冲击载荷。而这会对飞机的相关结构造成不同程度的损伤甚至直接导致局部结构发生严重破坏而失去承载能力。根据相关研究成果可知，对于由高强度纤维组成的复合材料来说，当外界的冲击能量达到5J时即可使其压缩强度减小到原有的32%左右，而且还会对材料本身的弯曲效应以及疲劳强度造成不可忽略的影响，给飞机整体结构带来安全隐患[1]，这严重危及到了乘客以及相关机组人员的人身安全。此外，不同于其他材料，冰在冲击条件下本身形态时刻都在发生变化，力学性质极具复杂性。由文献[2,3]可知，当冰与其他材料发生冲击作用时，其载荷会在短时间内出现急剧线性增加，而进入卸载段之后则又以非线性趋势进行卸载，表现出较为明显的流体特性。并且在加载段与卸载段之间不存在明显的平台期，其动态
【参考文献】：
期刊论文
[1]动荷载下峰后破裂砂岩能量耗散特征研究[J]. 刘洋,何健,张志雄. 有色金属工程. 2019(05)
[2]高应变率下纯水冰和杂质冰的动态力学行为[J]. 李尚昆,冯晓伟,谢若泽,张方举,胡文军,徐伟芳,黄西成. 爆炸与冲击. 2019(09)
[3]冰在低温下的单轴压缩力学行为和破坏机制[J]. 张永康,李玉龙,汤忠斌,金康华,杨洪. 固体力学学报. 2018(05)
[4]淡水冰三轴压缩力学特性试验研究[J]. 单仁亮,白瑶,隋顺猛,杨昊,段俊铭. 应用基础与工程科学学报. 2018(04)
[5]高应变率下预制单节理岩石SHPB劈裂试验能量耗散分析[J]. 李淼,乔兰,李庆文. 岩土工程学报. 2017(07)
[6]ASTM F320—2010标准冰雹的抗压力学性能实验研究[J]. 徐曼,陈勇,王安正. 科学技术与工程. 2016(16)
[7]冰力学参数的超声波测试研究[J]. 郭耀,李刚,贾成艳,常天英,崔洪亮,马科夫·阿列克谢. 极地研究. 2016(01)
[8]冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究[J]. 张文清,石必明,穆朝民. 采矿与安全工程学报. 2016(02)
[9]SHPB试验中花岗岩破坏程度与能量耗散关系分析[J]. 于水生,卢玉斌,朱万成,蔡勇. 东北大学学报(自然科学版). 2015(12)
[10]三峡库区泥质粉砂岩的SHPB试验及能量耗散特征研究[J]. 黄明,詹金武,胡柳青,张旭东. 工程地质学报. 2015(06)
博士论文
[1]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
[2]三维多胞机织复合材料冲击响应和能量吸收特征[D]. 唐予远.东华大学 2008
硕士论文
[1]冲击荷载下弱风化花岗岩的应力波传播特性及能量耗散研究[D]. 兰德沛.江西理工大学 2018
[2]高应变率下煤系砂岩力学性能及能量耗散规律研究[D]. 郭世儒.中国矿业大学 2017
本文编号：3345232
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