复合材料对称元件的缓冲吸能性能研究

《复合材料对称元件的缓冲吸能性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、_______________________________________________________________________________www.paper.edu.cn1复合材料对称元件的缓冲吸能性能研究122刘瑞同王鑫伟史治宇（1．同济大学现代先进制造技术研究所上海200092）（2．南京航空航天大学结构与强度研究所南京210016）摘要复合材料对称元件的缓冲吸能特性受到越来越多的关注，并已在工程中得到应用。试验研究表明在相同重量下，设计合理的复合材料对称元件可以比金属元件吸收更多的冲击能量。在笔者的研究基础上，本文综述

2、了复合材料对称元件缓冲吸能性能试验研究的主要成果，包括元件的宏观压溃模式、载荷－位移曲线、微观破坏形式和影响因素，然后论述了复合材料对称元件缓冲吸能特性分析研究的代表性成果，比较了这些分析模型之间的优缺点，并提出了应进一步研究的内容。关键词：复合材料对称元件，缓冲吸能，压溃模式，微观破坏，分析模型中图分类号：TB331．引言复合材料结构的缓冲吸能性能已经成为复合材料领域研究的热点，并已经在航空航天、汽车、船舶等领域得到应用。复合材料结构一般是由复合材料元件和复合材料薄壁件组合而成，其中复合材料元件是缓冲吸能的主要承担部分。根据公开的资料显示设计

3、合理的复合材料管状元件在轴向载荷下可以吸收大量的能量，如圆柱管件、圆锥管件等，但除了类似的管件，还有许多对称元件也可以吸收大量能量，如波纹梁、“＋”字型元件、“T”字型元件等，它们与管状元件有一个共同的几何特征，即良好的对称性，这就保证了元件在轴向的稳定性，因此本文认为研究复合材料对称元件的缓冲吸能性能对复合材料缓冲吸能结构的分析和设计具有更重要的意义。另外各种材质的蜂窝块在复合材料缓冲吸能结构中也经常采用，本文也将蜂窝块作为典型元件一并介绍。目前国内外对复合材料管状元件的缓冲吸能性能研究开展的比较多，但对其他形式的对称元件研究的很少，本文在笔

4、者的研究基础上糅合管状元件的研究成果，综述了复合材料元件的缓冲吸能机理和分析方法，提出了未来的研究方向。2．复合材料对称元件的缓冲吸能机理复合材料对称元件在轴向载荷和冲击载荷作用下发生多种形式的损伤破坏吸收能量，从宏观看载荷－位移曲线是一条连续的曲线，从微观上看复合材料出现了各种形式的破坏，是一个从连续到非连续的过程，因此复合材料对称元件的缓冲吸能机理可以从这两方面讨论。2．1复合材料对称元件的宏观压溃模式试验表明复合材料对称元件在轴向载荷下首先经过弹性变形后，在元件的局部首先发生失效破坏，然后随着加载的进行元件进入后续的压溃阶段，而复合材料对

5、称元件正是通过后续压溃阶段来达到吸收能量的目的。[8]Mamalis在对复合材料管件的试验结果总结后将后续压溃阶段分为三类：（1）渐进破坏过程，伴随有大量的能量吸收，包括“蘑菇状”破坏过程、壳边缘内翻和壳边缘外翻破坏过程，如图1（a），（b），(c)所示；（2）载荷导致元件失去承载能力的脆性破坏，元件吸收能量很少，包括螺旋状纵向裂纹和中段材料断裂，如图1（d），（e）所示；（3）类似薄壁金属和塑性管件的渐进屈服，吸收能量也较少。近年来国内研究人员对复合材料元件的吸能能力[7]0也已开展了少量的试验研究，桂良进、杜星文在复合材料圆柱管的试验中发现

6、[±45]5的0试件通常发生45方向的穿透裂纹导致非稳态压缩现象。1本文由高校博士点基金项目（20020287003）和航空基金项目（02B52013）资助1_______________________________________________________________________________中国科技论文在线www.paper.edu.cn(a)（b）(c)(d)(e)(f)图1.复合材料管状元件在轴向载荷压溃实验中的破坏变形图笔者对波纹梁元件、“＋”字型元件、“T”字型元件、“L”字型元件和蜂窝块元件的缓[40-42]冲

7、吸能元件进行了试验研究。（a）波纹梁元件（b）厚蜂窝块元件(c)“＋”字型元件(d)“T”字型元件(e)“L”字型元件图2.复合材料对称元件在轴向载荷压溃实验中的破坏变形图2_______________________________________________________________________________中国科技论文在线www.paper.edu.cn从试验现象看，除“L”字型元件外，其余四种对称形式的元件的压溃过程都比较稳定有较好的吸能能力，吸能能力在30～60KN.mm/g之间。根据元件后续压溃阶段的载荷－位移曲线

8、，可以将宏观压溃过程分成三类：z持续压溃模式：其载荷位移曲线如图3(a)所示，从图中可见元件在位移δ1处载荷达到最大值Pmax，此时元件局部出现失效破