FMLs的低速冲击损伤试验与数值分析方法研究

发布时间：2017-08-15 00:02

  本文关键词：FMLs的低速冲击损伤试验与数值分析方法研究

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【摘要】：纤维金属层板(FMLs)是一种由金属薄板和纤维复合材料板交替铺层粘接而成的一种混杂复合材料层板。因其兼有复合材料和金属材料的优异特性,近年来FMLs成为航空结构应用的热门材料之一。目前国外已对FMLs冲击问题进行了大量研究并取得了丰富的研究成果。随着我国航空工业的发展,研究国产FMLs的结构性能和断裂机制成为亟需。故本文对国产FMLs的低速冲击试验及数值分析方法进行深入研究。主要内容如下:根据相关标准和国内外发表的论文,设计了系列冲击试验件和相关夹具,采用落锤冲击试验机对国产FMLs、铝合金板、玻璃纤维复合材料层板和碳纤维复合材料层板进行一系列不同能量的低速冲击试验。对不同能量冲击下四种试样的表面可视损伤和冲击响应进行了对比分析。分别探讨了固支和简支两种边界条件以及铝层轧制方向对FMLs冲击响应的影响,并对低速冲击载荷下FMLs的响应机制进行了分析。结果显示:低速冲击后FMLs的响应和损伤有其独特的特征规律;边界条件对FMLs的冲击响应有一定影响,而铝层轧制方向对FMLs抗冲击性能的影响却不明显;得益于0/90度交替铺层的玻璃纤维层,FMLs的完全穿透能较相同厚度的铝板要高约22%。根据连续损伤力学原理,推导并建立了三维复合材料连续损伤模型,并编写了相应的VUMAT子程序。采用ABAQUS软件建立了FMLs低速冲击的数值分析模型,并与试验结果对比验证了该模型的准确性。重点对典型试验条件下FMLs的冲击损伤进行了数值计算分析,给出了FMLs不同阶段的冲击响应特征;研究了冲击过程中FMLs各层响应及损伤类型;探索了试样尺寸与形状、铝层厚度及金属/复材层数对FMLs抗冲击性能的影响。冲击响应载荷-时间曲线的每一次突降正好对应着FMLs内一种损伤的出现。铝层两侧的分层最为严重,相邻90度纤维层之间的分层最小。研究结论为FMLs的设计提供了基础信息和分析手段。
【关键词】：纤维金属层板 低速冲击 连续损伤力学 VUMAT 冲击损伤
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V215
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 引言10-12
• 1.2 研究意义12-13
• 1.3 研究现状13-17
• 1.3.1 国外研究进展13-16
• 1.3.2 国内研究进展16-17
• 1.3.3 存在的主要问题17
• 1.4 本文的研究内容17-19
• 第二章 FMLs落锤低速冲击试验19-34
• 2.1 引言19
• 2.2 试验设备及试验方法19-21
• 2.2.1 试验设备及原理19-20
• 2.2.2 试验方法20-21
• 2.3 冲击试验件21-22
• 2.4 试验结果与分析22-33
• 2.4.1 不同能量冲击下的表面可视损伤22-25
• 2.4.2 边界条件对I型FMLs冲击响应的影响25-27
• 2.4.3 铝层轧制方向对FMLs冲击响应的影响27-29
• 2.4.4 不同材料的低速冲击响应29-31
• 2.4.5 低速冲击载荷下FMLs的响应机制31-33
• 2.5 小结33-34
• 第三章 FMLs中三维复合材料连续损伤模型34-47
• 3.1 引言34
• 3.2 复合材料连续损伤模型34-39
• 3.2.1 单向加载损伤模型34-37
• 3.2.2 卸载关系37-38
• 3.2.3 应变率效应38-39
• 3.3 三维单向复合材料本构关系39-43
• 3.3.1 初始应力应变关系39
• 3.3.2 含累积损伤的应力应变关系39-43
• 3.4 材料模型在ABAQUS中的实现43-45
• 3.4.1 ABAQUS用户子程序43
• 3.4.2 VUMAT子程序及编写流程43-45
• 3.5 子程序算例验证45-46
• 3.6 小结46-47
• 第四章 FMLs冲击损伤破坏的数值分析研究47-64
• 4.1 引言47
• 4.2 FMLs有限元材料模型及参数47-55
• 4.2.1 玻璃纤维层力学性能参数47-49
• 4.2.2 2024-T3铝层力学性能参数49-51
• 4.2.3 层间本构关系51-53
• 4.2.4 材料模型及参数的拉伸试验验证53-55
• 4.3 FMLs低速冲击有限元建模55-58
• 4.3.1FMLs有限元几何模型55-56
• 4.3.2 锤头有限元几何模型56-57
• 4.3.3 载荷与边界条件57-58
• 4.4 FMLs低速冲击有限元模型结果验证58-63
• 4.4.1 宏观损伤现象58-60
• 4.4.2 冲击响应历程60-62
• 4.4.3 冲击响应参数62-63
• 4.5 小结63-64
• 第五章 基于有限元的FMLs低速冲击损伤破坏研究64-76
• 5.1 引言64
• 5.2 FMLs低速冲击损伤分析64-69
• 5.2.1 冲击损伤过程64-66
• 5.2.2 铝层损伤66
• 5.2.3 纤维层损伤66-68
• 5.2.4 层间分层68-69
• 5.3 FMLs试样尺寸参数对损伤的研究69-75
• 5.3.1 试样形状与尺寸69-71
• 5.3.2 单一铝层厚度71-73
• 5.3.3 金属/纤维复材层数73-75
• 5.4 小结75-76
• 第六章 总结与展望76-79
• 6.1 工作总结76-78
• 6.2 工作展望78-79
• 参考文献79-84
• 攻读硕士学位期间发表的论文84-85
• 攻读硕士学位期间参与科研课题85-86
• 攻读硕士学位期间获奖情况86-87
• 致谢87-88

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本文编号：675305