缝纫泡沫芯夹层结构低速冲击损伤分析

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1、2010年10月西北工业大学学报Oct．2010第28卷第5期JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityVo1．28No．5缝纫泡沫芯夹层结构低速冲击损伤分析郑晓霞，郑锡涛，屈天骄，．张建锋(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：在缝纫复合材料泡沫芯夹层结构低速冲击试验研究基础上，文章开展了低速冲击损伤数值分析。首先利用有限元软件分别对未缝纫和缝纫的复合材料泡沫芯夹层结构低速冲击下的损伤面积进行了数值估算，发现两者的上面板损伤面积均大于下面板的损伤面积，但两者的主要损伤模式不同。未缝纫夹层结构的主要损伤模式为上

2、面板损伤，而缝纫夹层结构主要以泡沫芯材压碎损伤破坏为主。有限元计算结果与试验结果吻合较好，证明文中所建立模型的正确性。随后模拟计算了冲击能量、上面板厚度、泡沫芯材厚度、缝纫密度、落锤冲击位置等五个因素变化对缝纫泡沫芯复合材料夹层结构损伤面积的影响，并进行了相关的理论分析。关键词：夹层结构，有限元法，泡沫芯夹层结构，复合材料，缝纫，损伤面积，数值模拟，低速冲击中图分类号：TB332，V229+．7文献标识码：A文章编号：1000-2758(2010)05-0774-06复合材料夹层结构是由上、下层压面板和芯材板的连接，因此其强度和刚度都要比未缝纫泡沫芯胶接而成，常用的芯

3、材有铝蜂窝、NOMEX纸质蜂窝夹层复合材料优越，能有效改善夹层板的层间性能。和硬质泡沫等。夹层板的层间性能很差，在制造成本文数值分析了缝纫和未缝纫复合材料泡沫芯形、运输、使用和维护过程中受到外来物体低速冲击夹层结构低速冲击后的损伤面积，并与试验结果进时，会造成面板基体开裂、纤维断裂、面板和芯体间行对比分析；同时研究了不同因素对缝纫泡沫芯夹的界面脱胶等多种形式的损伤，从而导致结构服役层板损伤面积的影响，并进行了理论分析。期间承载能力的弱化，尤其是压缩或剪切承载能力将出现大幅度的下降，严重影响材料的使用。1泡沫芯夹层结构冲击试验为了增加泡沫芯夹层结构的刚度和强度，近年来国

4、外学者提出了一些对复合材料夹层结构进行z1．1试验概述向增强的概念和技术H】，并结合低成本成形新工本文选用的是全厚度缝纫复合材料泡沫芯夹层艺，使复合材料夹层结构的力学性能和损伤容限有结构，上、下面板均为铺层形式[±45／0／90／-T--45]了显著的提高，为复合材料夹层结构在飞机主承力的T300／BA9912帘子布，泡沫芯为厚度7mm的RO．结构上的应用创造了条件。z向增强泡沫芯夹层复HACELL71IG闭孔泡沫。在干态下复合材料面板合材料是一种新型轻质夹层结构材料，包含缝纫增与泡沫芯材沿厚度方向缝纫成预成形件，并由VARI强⋯、z—pin增强和x状碳纤维销钉(简称

5、X—Cor)(VacuumAssistedResinInfusion)工艺固化成形。本增强技术等J。文的缝纫夹层结构，缝线和底线分别为400旦和缝纫增强泡沫芯夹层复合材料是2001年美国1500旦的Kevlar29纱线；缝针直径为1．5rain；缝纫Utah大学的LarryE．Stanley等人⋯在NASA的支方式为沿着O。纤维方向的改进锁式方式，缝纫纱线持下提出的新概念，该结构是由上下2层碳纤维复和底线的结点在上下面板外表面上，而不在夹层内；合材料层压板和中间的硬质泡沫芯材构成，z向用缝纫针脚垂直于缝纫表面；缝纫针距和行距均为高强度Kevlar缝线缝纫，从而增强了泡

6、沫芯材和面收稿日期：2009-03-28基金项目：国家自然科学基金(10872167)资助作者简介：郑晓霞(1983一)，女，西北工业大学硕士研究生，主要从事复合材料损伤阻抗和损伤容限研究。第5期郑晓霞等：缝纫泡沫芯夹层结构低速冲击损伤分析6．5mln。试验时，将试验件夹持在尺寸为255mm(3)边界条件的简化×178min、中间开128mm×128mm矩形孔的钢制对缝纫和未缝纫夹层结构的边界条件进行了相基板之间，上下基板的四角用螺栓拧紧，直径为16应的简化，只约束了上下面板四边向位移，即mm的球形冲头从1m高的地方落下，通过改变冲=0，而不约束面内位移和转动，如图2

7、所示。头的质量来调整冲击能量。1．2试验现象及分析分别对未缝纫和缝纫复合材料泡沫芯夹层结构进行低速冲击试验，冲击能量分别为10J和15J。试验结束后，用C扫描测量层压板每个铺层的损伤宽度，然后划出每层的损伤区域，再将整个层压板的损伤区域叠加起来得到层压板的最大损伤区域，即层压板的最大损伤面积。由试验结果可知，在相同能量冲击下，缝纫夹层结构的损伤面积和损伤宽度比未缝纫夹层结构图2边界条件简化的大，并随着冲击能量的增加，缝纫和未缝纫夹层结构的压陷区直径和夹层开裂区直径都在增大；缝纫(4)单元的选择和网格划分夹层结构的开裂区直径增加较快，缝纫会使夹层结本文