低速冲击下FMLs、铝板和复合材料的损伤对比

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul252014VOl35No71902—1911lSSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducnhkxb@buaaeducn低速冲击下FMLs、铝板和复合材料的损伤对比马玉娥h+，胡海威1，熊晓枫21．西北工业大学航空学院，陕西西安7100682．中航工业成都飞机设计研究所，四川成都610041摘要：为提高飞机结构的损伤容限和抗冲击性能，欧洲成功研制了多种纤维金属层板(FMLs)，并在具体机型结构上成功应用。对由玻璃纤维和2024T3铝合金交替层

2、压而成的FMLs进行落锤低速冲击试验，并与2024T3铝合金板和准各向同性F300复合材料板进行了对比分析。FMLs完全穿透所需要的能量比2024T3铝合金板和复合材料板分别高出约40％和6倍；在相同能量下，FMLs的背面裂纹长度比铝合金板短30％～50％。使用有限元法对FMLs动态冲击损伤过程进行了数值模拟，其中铝层采用延性损伤理论，纤维层采用Hashin失效准则，分析了层合板的动态冲击响应，总结了其损伤规律。数值结果与试验结果符合较好。关键词：玻璃纤维金属层板；低速冲击；裂纹长度；动态响应；损伤演化中图分类号：V214．8；TB333文献标识码：A文章编号：10

3、006893(2014)07190210为了提高航空结构的损伤容限和减轻结构质量，航空界一直致力于研发新材料。20世纪80年代初期，荷兰Delft大学与Fokker公司合作将胶接技术用于制造层问混杂复合材料，创立了第一代纤维金属层板(FMLs)芳纶纤维铝合金层板(Arall)[1]。此后陆续诞生了玻璃纤维铝合金层板(Glare)、碳纤维铝合金层板(CARE)、碳纤维钛合金层板(TiGr)等多种FMLs[2]。其中以Glare最为突出，经过多年的发展和研制，现已形成六大系列[2。。]。FMLs因其疲劳性能好、减重效果明显、制造成本相对较低、并具有良好的抗冲击性能和阻尼

4、性能[1。。1受到业内人士的广泛关注，并在A380和Boein9777等飞机结构上得到了成功应用，且达到了较好的减重和节约成本的目的‘2。I。对FMLs抗冲击性能的研究一直是国际上的一大热点，目前已有大量关于FMLs冲击性能的研究文献。Vlot等阻。51对FMLs、铝板和复合材料板的抗冲击性能做了大量对比试验；文献[6]～文献[81中探讨了FMLs低速冲击后的疲劳损伤容限问题；Caprino等凹。1叩对FMLs低速冲击后的宏观损伤与失效模式进行了分析；文献[11]～文献[13]中对FMLs冲击响应进行了有限元建模分析。20世纪末，国内学者吴学仁和郭亚军口41已经着手

5、于FMLs的研究。近些年出于国内航空发展的需求，国内许多学者对FMLs的疲劳寿命、性能分析与测试、制造工艺等进行了大量的研究。14。1⋯。然而不同类型的FMLs其性能也各异，如Glare系列中Glare5的抗冲击性能最为突出口]。此外，FMLs的抗冲击性能还与生产水平和边界条件等相关。而目前国内对国产FMLs抗冲击收稿日期：2013—10—12；退修日期：2013—11—12；录用日期：2014—02—10；网络出版时间：2014—02—2614：10网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detaii／s1000—689320130539html*通讯作者T

6、el：029—88493091E-mail：mayue@nwpueducn昏甬格式MaYE，HuHW，XiongXFComparisonofdamageinFMLs，aluminiumandcompositepanelssubjectedtolow-velocityimpact!正ActaAeronaut／caetAstronaut／caSin／ca，2014，35(7)：1902．1911马玉娥，葫海威，熊晓枫低速冲击下FMLs、铝板和复合麓辫蝻损伤对毙i如航空学报，2014，35(77：1902．1911马玉娥等：低速冲击下FMLs、铝板和复合材料的损伤对比性能

7、的探索较少。鉴于上述原因，本文对玻璃纤维增强铝合金层板(下面也简称FMLs)进行了落锤低速冲击试验，并与厚度相近的铝板、准各向同性F300复合材料板进行了对比分析，并建立了有限元模型，对冲击损伤过程进行了数值模拟。1材料和试验过程1．1试验材料和试验件尺寸试验中所用FMLs的铺层方式为Eeoe4T3／o。／90。／90。／o。／2024T3／0。／90。／90。／o。／2024T3]．其中铝层厚度为0．2541T11TI，纤维层厚度为o．1501T11TI，总厚度为1．962mlTl，尺寸为100mm1501T11TI，o。方向与铝层轧制方向一致且沿试验件短边。