复合材料点阵构成吸能特征、抗低速冲击性能概述

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1、复合材料点阵构成吸能特征、抗低速冲击性能概述第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义人们在工程实际中发现，对于一个承受弯矩的均质梁，主要是距离中性轴较远的横截面部分承受面内拉压载荷，而距离中性轴较近的横截面部分承受载荷较小且增加了整个结构的重量[1,2]。基于这种现象，为了设计更轻质高强的承载结构，工程师设计出了夹芯结构。夹芯结构一般是由两个强度和刚度较大的薄面板和中间轻质、较厚的芯材粘接组成[3-5]，如图1-1所示。其合理之处在于：中间芯体材料对上下面板的分隔增大了夹芯结构的惯性矩，有效地提高了结构的弯曲刚度和扭转刚度，

2、但是结构总体质量却增加很少，因而提高了结构的比强度比刚度。在工程应用中，夹芯结构的上下面板，由于强度高、模量大，主要承受面内拉压载荷，而中间较厚的轻质芯材主要承受剪切载荷[6,7]。早期夹芯结构材料的应用，可以追溯到1937年信天翁飞机中采用巴萨木作芯材、雪松作为面板制造的夹层结构机翼[8]。二战以后，夹芯结构材料得到了广泛的关注，人们相继研制出了金属蜂窝、金属泡沫、格栅以及玻璃纤维/碳纤维等热固性树脂芯子材料[9-15]。总的来说，绝大部分夹芯结构的芯材都是多孔材料，从微结构的规则程度上多孔材料可以分为不规则微结构(泡沫金

3、属、泡沫塑料)和规则微结构(蜂窝材料、格栅)；从构型上又可以分为开孔和闭孔材料。..1.2点阵夹芯结构的理论分析方法理论分析是点阵夹芯结构的重要研究手段之一，目前主要集中在点阵材料等效模量的计算以及各种失效模式的理论推导。学者们在对泡沫材料的大量研究中发现：在宏观载荷作用下，泡沫材料主要通过胞元壁的弯曲变形抵抗外载荷，因而通常胞元壁的弯曲强度决定了泡沫的宏观强度，并且这种弯曲主导型材料的宏观刚度/强度与母体材料存在如式(1-1)的关系[58-60]。由于泡沫等多孔材料的相对密度远远小于1，因而如果存在这样一种多孔材料：它的刚度

4、/强度与母体材料存在式(1-2)的关系，在外载荷作用下，胞元的变形主要以拉压变形为主，那么这种材料的比刚度/比强度将远远优于泡沫等弯曲主导型的材料。基于这一思想，Evans等[59]指出，可以通过设计类桁架型材料(点阵材料)使得结构承载时，构件主要通过拉压变形抵抗外载荷作用。随后，Deshpande等人[61]基于Maxe和金字塔点阵桁架等拉伸主导型点阵结构。与此同时，学者们发现大自然中也广泛存在这种类桁架的点阵夹芯结构，例如犀鸟的喙部、鸟翅膀的小梁骨以及独角仙的前翅结构[62-65]。随后，学者们对这种类桁架的点阵结构从理论

5、、试验、数值仿真以及性能优化设计等角度进行了大量研究。..第2章复合材料点阵结构的制备及平压/剪切性能2.1引言碳纤维增强树脂基复合材料由于具有较高的比强度/比刚度，在航空航天等领域已经得到广泛的应用。与金属板材相比，将碳纤维复合材料层合板作为夹芯结构的上下面板，可以有效地提高夹芯结构的抗弯刚度和抗弯强度，并降低结构的重量。铝合金材料具有密度小、强度高、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能好、工艺成型性好以及价格低廉等优点，已经成为了航空航天领域主要的结构材料之一[129]。航空中常用的2A12-T4铝合金板材，因其有良好的塑性成型能力、

6、机械加工性能以及屈服强度高的优点，已广泛应用于教练机、轰炸机以及歼击机的机翼、机尾等悬臂结构。本章将探索一种新的制备工艺，制备由碳纤维增强树脂基复合材料面板和铝合金芯子组成的金字塔点阵夹芯结构。这种组合让两种材料的力学性能相得益彰，使得这种混合结构具有轻质、高强以及优异的吸能特性。此外，通过准静态压缩试验评估其吸能特性，并研究其剪切性能..2.2金字塔点阵夹芯结构的制备制备复合材料层合板所需的单向碳纤维预浸料(T700/3234)由北京航空材料研究院提供，碳纤维的体积含量为60±1%，纤维束的规格为12K。厂家提

7、供的单向碳纤维层合板的力学性能见表2-1。制备金字塔点阵芯子的原材料为东北轻合金有限责任公司提供的1.5mm厚度的2A12-T4铝合金板材，实际测量厚度为1.42~1.45mm。按照国标[130]对铝合金板材进行了准静态单向拉伸试验，试件尺寸见图2-1，加载速率为2mm/min。应变的测量采用电阻应变片法测量，采用的应变仪为东华公司的动态应变仪TST3827，应变片为中航工业电测仪器股份有限公司制造的BE120-2AA，应变极限为2.0%。试验中，拉伸试验机和应变仪的采样频率均为10次/秒。试验得到的真应力-应变曲线见图2-2

8、，试件失效的照片见图2-3。从图2-2中可以看出，铝合金板材表现出了良好的弹塑性。结合厂家提供的数据以及有关文献，铝合金板材具体的力学性能参数见表2-2。..第3章复合材料点阵结构的抗低速冲击性能.......383.1引言....383.2低速冲击试验.......383.