复合材料泡沫结构低速冲击及冲击后压缩特性研究

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1、复合材料泡沫结构低速冲击及冲击后压缩特性研究第一章绪论1.1研究背景过去的半个世纪是复合材料飞速发展的年代。复合材料以其比刚度、比强度高的优点倍受青睐，并被广泛应用于航空航天、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域[1]。复合材料夹层结构是先进复合材料的一种表现形式，它是由不同材料相互粘接组合，通过利用各个组分的性能特点达到整个系统组成的结构性能最佳[2]。复合材料夹层结构一般由上面板、上面板与芯材的粘结层、芯材、下面板与芯材的粘结层以及下面板所构成，这五个要素组成了一个整体的夹层结构，图1-1所示为一典型蜂窝夹层结构。夹层结构

2、在构造上通常是采用厚度较薄、强度高、刚度大的材料，例如金属或复合材料层压板作为面板，而采用密度小、厚度较大且有一定承剪能力的材料，如泡沫、软木或蜂窝作为芯材，用胶接的方法把他们连接起来。夹层结构传递载荷的方式类似于工字梁（见图1-2a）。工字梁翼板的位置离截面的中性轴最远，以承担面内拉压应力为主。腹板使翼板之间保持一定的距离而彼此分开，同时，腹板在两个翼板之间分散剪切应力。同样，在夹层结构中，具有高强度、高模量的上下面板分布在远离中性轴的位置而承受面内拉压应力，而轻质的芯材夹在中间以使上下表层材料之间彼此分开且保持一定的距离，并分散剪

3、切应力（见图1-2b）。与传统的金属结构和复合材料层压板相比，夹层结构有许多优点。它的抗弯刚度大，可以在结构重量较小的情况下承受较大的弯曲载荷。在面内压缩载荷下，夹层结构有较好的稳定性。另外，夹层结构还具有良好的耐疲劳性能以及隔声、隔热等物理性能。并且，夹层结构容易实现光滑平整的气动表面。由于夹层结构的两块面板都能承受载荷，因此，这样的结构可提供多个传力路径，具有更强的损伤阻抗能力。由于复合材料层压板具有可设计性，因此能够使整个夹层结构达到最佳性能。而轻质的泡沫或蜂窝夹芯，在冲击载荷下能够提供较强的能量吸收能力[3]。自从十九世纪四十

4、年代以来，复合材料夹层结构就开始在航天航空、交通、能源以及海洋工程等领域得到了广泛的应用[4]。西方世界每两架引擎飞机中至少有一架或多或少用到夹层结构。波音-707飞机8%的表面是夹层结构，而波音-757/767飞机高达46%的表面是蜂窝夹层结构。夹层结构在波音-747飞机上的应用更广泛：机身圆柱形外壳主要是Nomex蜂窝夹芯结构，地板、侧壁、舱顶行李箱和天花板等均为夹层结构。如图1-3所示，夹层结构也大量应用于客机A380-800的结构中。目前，世界上大部分无人机（UAV）结构都是复合材料夹层板制造而成。复合材料夹层板也被广泛应用于

5、直升机的螺旋桨、地板和下挂油箱等结构。与大多数复合材料结构一样，对复合材料夹层结构的安全威胁最大的是外来物的冲击，尤其是低速冲击事件。因为夹层复合材料一般应用于壁板类结构中，例如飞机的机翼、地板及舰船的船体等位置。这些地方很容易遭受到外来物的冲击。飞机结构在服役中的主要损伤之一就是冲击损伤。这些冲击损伤主要来自鸟撞、冰雹以及飞机在起飞或降落过程中跑道上飞溅起的碎石等。飞机在维护过程中还可能遭受工具坠落等冲击损伤。由于船舶的工作环境比飞机结构复杂的多，船舶结构遭受冲击损伤的情况更加普遍。外来物冲击造成的损伤，将损害复合材料夹层结构的完整

6、性。大量实验研究表明，低速冲击损伤将会严重降低夹层结构的拉伸、压缩、剪切和弯曲剩余强度[5]，从而严重威胁复合材料夹层结构的安全性。因此，复合材料夹层结构低速冲击问题受到广泛关注。值得注意的是，许多学者和研究人员都对复合材料层压板结构的低速冲击和冲击后剩余强度进行了大量研究[6,7]。前人研究层压板的许多宝贵经验，对于研究复合材料夹层结构的低速冲击和冲击后剩余强度具有重要的指导意义。1.2低速冲击响应研究进展Abrate[5]曾指出，复合材料夹层结构在受到外来物冲击时所表现的特征与复合材料层压板结构有本质上的区别：在夹层复合材料结构冲

7、击响应研究中，夹芯材料处于主导地位，且主导冲击事件中接触力-接触位移关系的接触法则也和复合材料层压板大不相同。这里的接触位移指的是接触过程中冲头和夹层板间的相对位移。在外来物冲击目标的过程中，目标既发生整体结构变形又会在接触点附近的区域发生局部变形。经典梁理论、板理论和壳理论都无法解释冲击点附近的局部变形。这种局部变形，可以通过动态接触问题[8]的大范围数值分析进行评估，或者在模型的冲击区的接触法则中引入非线性变形效应和损伤效应。因此该接触法则是一个能够考虑不同加载和卸载性能的非线性函数，其具体形式需要通过试验确定[6]。Sun和FR

8、系列的闭孔PUR泡沫由通用塑料加工公司（GeneralPlasticsManufacturingpany）提供。本文使用的泡沫夹芯材料有12.5mm和25mm两种厚度。所有的复合材料夹层板在美国犹他大学（Universi