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1、复合材料层合板的低速冲击损伤模拟天津大学硕士学位论文复合材料层合板的低速冲击损伤模拟姓名:王昌海申请学位级别:硕士专业:固体力学指导教师:石广玉2011-12摘要纤维增强复合材料层合板由于具有高比模量及高比强度等独特优点,所以广泛的应用于航空航天以及汽车制造等领域。然而在其厚度方向上,强度较弱,特别是铺层间粘接层的强度更低,以至于在受到低速横向冲击时容易产生各种损伤、破坏甚至断裂。主要的损伤形式有基体开裂、基体剪切、纤维断裂以及层间分层。其中,层间分层损伤和基体开裂是最常见也是最危险的破坏形式,因
2、此层问分层也成为了国内外专家学者的主要研究课题。复合材料层合板受到横向冲击的过程中,纤维方向不同的铺层间的粘接层极易发生损伤,而损伤的产生及扩展是一个逐渐的过程,在这个过程中材料的性能及强度是逐渐下降的。现在人们常用冲击物体对靶体作用的等效动载进行冲击损伤模拟,这种等效动载法虽然效率高,但不够准确。因此,复合材料层合板低速冲击过程的动态模拟是能够更好描述层间分层的产生及扩展的一种方法。本文将对复合材料层合板在低速冲击下的损伤进行动态数值模拟。本文主要进行了以下研究工作:整理和归纳适用于层合板冲击损
3、伤模拟的材料模型和损伤准则,并评述了将冲击问题转化为准静态问题的模拟方法。以模拟结果为例,总结了一步退化准则得到的层合板粘接层的损伤位置及几何形状:使用.软件进行低速冲击下的复合材料层合板冲击损伤的动态模拟,探讨动态损伤模拟的建模技术,以期得到复合材料层合板在低速冲击下的更为准确的损伤位置及损伤形状和面积。通过与实验结果的比较研究了复合材料的材料模型和损伤判据选对界面分层扩展和基体开裂的影响。以实验结果和动态冲击损伤的模拟结果为依据评估了准静态冲击损伤模拟的精度。关键词:纤维增强层合板冲击损伤分层
4、基体开裂动态模拟?,.,.,?.,,.,,.?,.,,.,?.,.?.:.,...?.?...,....:,,,,,?第一章绪论第一章绪论.引言复合材料是通过物理和化学的方法在宏观上使多种具有不同性质的组分材料形成一种具有新性能的材料。复合材料一般在性能上都会优于组分材料,综合组分材料的优点,弥补各组分材料的不足,并且具有原来材料不具备的性能,从而在刚度、强度、热学等性能方面达到设计要求。在科学技术快速发展的现代化时代,人类已经开发出了多种多样功能不同的复合材料。由于具有高比模量、高比强度、耐高温
5、、抗疲劳、可设计性强等独特优点,复合材料广泛地应用于航天、航空、汽车、船舶、石油化工、医疗设备、桥梁、建筑等等众多的工业领域?。尤其近年来,先进的复合材料己从以往的仅用于航天器及军用飞机的状况,发展到成为当今各类先进民用飞机的首选材料。先进复合材料在飞机上的用量及应用部位己成了衡量飞机结构先进性及效率的重要指标之一。在近五十年来的飞机制造行业中,由于复合材料质量小、强度大以及可以满足特殊设计的材料性能,因此在当今的飞机制造中,复合材料的广泛应用已经成为一种现象,飞机制造已经越来越依赖复合材料。因此
6、复合材料的开发与设计对于高科技领域的制造业以及一些电子产品的外形设计上都具有重大意义。图一所示的是复合材料在现代飞机制造中近些年来的使用比例的变化情况。从图中我们可以看出复合材料的应用普及速度之快。摹羞‰≥客啦斌奠如骶鼍;剪粥登∞巧;.:母“÷‘×:年物图?现代飞机中复合材料的应用情况第一章绪论由于应用性质的不同,通常我们可以把复合材料分为结构复合材料以及功能复合材料。功能复合材料是指那些提供物理性能的复合材料,但并不包括机械性能的材料。结构复合材料的构成部分主要是一些树脂、金属等材料构成的基体
7、以及纤维和颗粒等材料构成的增强材料。其中,增强材料起着主要的作用,它主要功能是提供刚度以及强度,控制着复合材料的性能:而基体材料则主要为辅助的作用,基体支持并固定纤维材料。可以想象,在飞机或者轮船等重要交通工具的使用及维修上,不可避免的会发生一些轻微的碰撞,如在维修中维修工具的碰撞或者锤子的掉落以及在正常使用中都会不可避免的发生一些质量小的物体的低速冲击,但由于这种冲击并不会造成肉眼可见的损伤破坏而被忽视,然后这些低速冲击会对材料内部产生微妙的影响及破坏,因此为这种层合板在低速冲击下的模拟是具有重
8、要的实际意义的。所以,结构复合材料板壳为我们的主要研究对象。由于纤维增强复合材料是各向异性的材料性能,在厚度方向上的强度是很弱的,尤其是铺层间的粘接层的强度更低?。这会导致复合材料板壳在制造、运输中,以及服役期间受到其他物体的横向冲击后会容易产生冲击损伤和破坏【,进而导致板壳的剩余强度下降,严重地影响材料的性能。高速的物体对复合材料板壳结构的冲击会导致明显的局部破坏,如表面目视可测的基体和纤维破坏、侵彻甚至贯彻,但是这些损伤破坏都会很容易地被检测出来。然而,受到低速冲击的复合材料板
