首页 复合材料泡沫夹层结构低速冲击性能研究进展

复合材料泡沫夹层结构低速冲击性能研究进展

举报
开通vip

复合材料泡沫夹层结构低速冲击性能研究进展复合材料泡沫夹层结构低速冲击性能研究进展材料加工工程(材料科学与工程学院)摘要:在工程应用中,复合材料泡沫夹层结构很容易遭受各种外来物体的冲击,尤其是低速冲击。这些低速冲击事件会对复合材料泡沫夹层结构的面板、夹芯及粘结层造成各种形式的损伤。这些冲击损伤将引起复合材料泡沫夹层结构刚度及强度的急剧下降,从而对复合材料泡沫夹层结构的安全性产生威胁。经过国内外学者的不懈努力,在复合材料夹层结构低速冲击性能研究方面已取得了丰富的成果,但是在预测低速冲击响应及冲击损伤方面还存在一些没有解决的问题。本文介绍了低速冲击损伤的研究进...

复合材料泡沫夹层结构低速冲击性能研究进展
复合材料泡沫夹层结构低速冲击性能研究进展材料加工工程(材料科学与工程学院)摘要:在工程应用中,复合材料泡沫夹层结构很容易遭受各种外来物体的冲击,尤其是低速冲击。这些低速冲击事件会对复合材料泡沫夹层结构的面板、夹芯及粘结层造成各种形式的损伤。这些冲击损伤将引起复合材料泡沫夹层结构刚度及强度的急剧下降,从而对复合材料泡沫夹层结构的安全性产生威胁。经过国内外学者的不懈努力,在复合材料夹层结构低速冲击性能研究方面已取得了丰富的成果,但是在预测低速冲击响应及冲击损伤方面还存在一些没有解决的问题。本文介绍了低速冲击损伤的研究进展,并阐述了复合材料泡沫夹层结构在低速冲击损伤方面需要关注和解决的问题。关键词:泡沫夹层板,低速冲击,损伤,损伤模型,无损 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 中图分类号:TG115.28文献标识码:A0序言*复合材料泡沫夹层结构是先进复合材料的一种结构形式。它具有重量轻、比强度和比刚度高、表面平整、稳定性好、隔音与隔热性及耐腐蚀性好等优势,因此,这种结构在航空航天、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域得到广泛应用。与大多数复合材料结构一样,对复合材料夹层结构的安全威胁最大的是外来物的冲击,尤其是低速冲击事件。因为夹层复合材料一般应用于壁板类结构中,例如飞机的机翼、地板及舰船的船体等位置。这些地方很容易遭受到外来物的冲击。飞机结构在服役中的主要损伤之一就是冲击损伤,这些冲击损伤主要来自鸟撞、冰雹以及飞机在起飞或降落过程中跑道上飞溅起的碎石等[1]。飞机在维护过程中还可能遭受工具坠落等冲击损伤。由于船舶的工作环境比飞机结构复杂的多,船舶结构遭受冲击损伤的情况更加普遍。外来物冲击造成的损伤,将损害复合材料夹层结构的完整性。大量实验研究表明,低速冲击损伤将会严重降低夹层结构的拉伸、压缩、剪切和弯曲剩余强度[2],从而严重威胁复合材料夹层结构的安全性。因此,复合材料夹层结构低速冲击问题受到广泛关注。许多学者和研究人员对复合材料层压板结构的低速冲击和冲击后剩余强度进行了大量研究[3]。前人研究层压板的许多宝贵经验,对于研究复合材料夹层结构的低速冲击和冲击后剩余强度具有重要的指导意义。1低速冲击研究进展Abrate[5]曾指出,复合材料夹层结构在受到外来物冲击时所表现的特征与复合材料层压板结构有本质上的区别:在夹层复合材料结构冲击响应研究中,夹芯材料处于主导地位,且主导冲击事件中接触力一接触位移关系的接触法则也和复合材料层压板大不相同。这里的接触位移指的是接触过程中冲头和夹层板间的相对位移。在外来物冲击目标的过程中,目标既发生整体结构变形又会在接触点附近的区域发生局部变形。经典梁理论、板理论和壳理论都无法解释冲击点附近的局部变形。这种局部变形,可以通过动态接触问题[4]的大范围数值 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 进行评估,或者在模型的冲击区的接触法则中引入非线性变形效应和损伤效应。因此该接触法则是一个能够考虑不同加载和卸载性能的非线性函数,其具体形式需要通过试验确定。王杰和汪海[6]对夹层板低速压痕性能进行了试验研究,所采用的夹层板是由AS4/3501-6炭/环氧树脂面板和铝蜂窝或Rohacell泡沫夹芯构成,冲头有圆柱形和球形两种构型。对蜂窝夹层板和泡沫夹层板,接触法则的加载部分分别采用双线性和线性-二次多项式型表达式。接触法则的卸载部分均采用指数函数型表达式。其研究表明:虽然接触力-接触位移关系受冲头形状的影响,但是对于两种夹芯材料的夹层板,所假设的接触法则与试验结果符合性较好。需要指明的是,虽然王杰和汪海针对层压板复合材料提出的指数型接触法则[6]被广泛接受,但是和夹层复合材料的接触法则[7]有本质的区别。对于给定的面板构型,即使对夹层复合材料采用指数型接触法则,由经验确定的函数系数和指数也与相似铺层的层压板复合材料[6]有很大区别。Abrate[5]指出,为了预测夹层复合材料的接触法则和损伤范围,必须深入了解夹芯材料的力学性能。2低速冲击损伤研究进展外来物冲击将会对夹层板的面板,夹芯和夹芯一面板界面等成分造成局部损伤。复合材料夹层结构的低速冲击损伤状态可分为材料损伤状态和几何损伤状态。材料损伤状态包括面板损伤,夹芯损伤和面板-夹芯界面脱粘损伤。其中面板损伤一般表现为分层,基体开裂,面板以及铺层断裂;夹芯损伤表现为夹芯破碎(泡沫夹芯),孔壁屈曲(蜂窝夹芯)和夹芯断裂。几何损伤状态表现为受冲击点附近的残余凹坑分布状态。损伤类型和损伤状态取决于许多因素,包括:面板铺层和厚度、夹芯材料和厚度、夹芯一面板界面的性能、编织技术、冲击速度和能量、冲头形状、温度、边界条件和环境因素等。损伤发生门槛和损伤尺寸取决于夹芯材料性能以及夹芯材料与面板材料性能的相对关系。Abrate在文献[5]中对蜂窝、泡沫、balsa、波纹和交错夹芯复合材料的冲击失效机制进行了详细的综述。大多数对于夹层板冲击损伤阻抗的理论研究都是按照分析纯层压板的方法进行的[5]。这种方法是用“整体模型”进行动力学分析,从而获得冲击过程中的载荷一时间历程。一旦确定了载荷-时间历程,把最大载荷作为压力的方式施加在“局部模型”中计算冲击点附近的应变和应力,从而进行损伤预测。局部分析的目标是预测冲击或静压痕接触点附近的应力/应变场,从而进行损伤预测。一种较普遍的做法是把夹层板模拟为位于弹性地基上的板[8]。通过这些分析,研究人员发现面板厚度和冲头直径是预测静压痕载荷下面板失效的关键因素。与试验结果观察到的一致,分析表明,夹芯可能在很低的载荷水平下发生破坏。因此,局部分析需要考虑夹芯损伤。也有研究人员在分析时包括了受损面板的几何非线性效应,这个分析模型获得比较准确的载荷一静压痕位移曲线。以上列举的一些研究,有些在预测夹层板载荷一静压痕位移方面取得了有效的成果[8],有的在预测损伤方面与试验结果到达定性的一致。许多研究者曾比较冲击和静压痕对夹层板造成的损伤[9],他们的研究表明:在一定条件下,这两种试验对夹层板造成的损伤状态是相同的。其中的一个条件是:冲击过程中的动力学效应可以忽略。然而,通过限定冲击速度和冲击能量来满足这个条件并不容易,因为其他参数,例如冲头(包含整个冲击物块部分)的质量也会影响夹层板的动力响应。然而,可以通过以下两个参数定量评估冲击过程中的动力学效应:冲头(包含整个冲击物块部分)与夹层板的质量比,夹层板的接触刚度与弯曲刚度之比。一般来说,质量比越大或刚度比越小,冲击过程中的动力学效应就越小。这一基本原则解释了为什么静压痕试验无法准确模拟较薄的层压板的冲击损伤,相对于夹层板来说,层压板的刚度比要高得多,因为夹芯的出现降低了夹层板的接触刚度而增加了弯曲刚度。另一个条件是:静压痕试验和冲击试验中的最大接触力相同或载荷一位移曲线下的面积代表的能量相同。在对复合材料夹层板的低速冲击损伤进行试验研究时,各种无损检测和破坏性检测方法是获得损伤信息的重要手段[2]。其中超声扫描和射线扫描是检测面板和夹芯损伤的两种常用无损检测方法[10]。另外,试件切割截面和显微照相及光学照相手段相结合也被用于检测低速冲击区域的损伤类型和损伤范围。3未来复合材料泡沫夹层结构研究的方向复合材料泡沫夹层结构低速冲击的研究是一个令人重视并且具有挑战性的课题。研究复合材料夹层结构的冲击损伤有助于提高结构设计的效率,降低复合材料夹层结构的检修频率,检修强度和检修费用,从而改善复合材料夹层结构的适用性,充分发挥复合材料夹层结构的优势。本人认为上述工作在以下几个方面需要进一步发展和完善[6]:(1)冲头形状和材料应变率对冲击响应,冲击损伤和剩余强度的影响现实工程中,复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的来源很多,可能是冰雹、碎石等具有规则形状的小型物体,也可能是修理工具、飞鸟等具有不规则形状的大型物体。不同的外来物体冲击复合材料泡沫夹层结构时造成的冲击损伤都不相同。并且,外物冲击是一个动态过程,这个过程的冲击响应必将受到冲击物体及被冲击夹层结构材料应变率的影响。因此,有必要研究冲头形状和材料应变率对复合材料泡沫夹层结构低速冲击响应,冲击损伤和剩余强度的影响。(2)不同边界条件,加载状况对冲击后剩余强度的影响飞机及船舶结构在经历低速冲击时,其复合材料泡沫夹层板大多处于负载状态,其边界条件和载荷状况远比试验夹具提供的条件复杂的多[1,11]。因此,将试验研究所获得的冲击损伤直接用于实际工程设计是不合理的。要想使试验数据更符合工程实际,有必要对负载状态的复合材料泡沫夹层板进行低速冲击研究。(3)泡沫夹芯材料的损伤范围泡沫夹芯能够通过自身的变形及损伤在低速冲击过程中吸收很大一部分冲击能量,提供缓冲作用。泡沫夹芯本身还为复合材料面板提供法向支撑,并承担剪切载荷。低速冲击引起的夹芯损伤有可能对复合材料泡沫夹层板的失效模式造成影响。由于泡沫材料的特殊性,普通测量方法难以精确测量泡沫夹芯的损伤范围。因此,有必要开发新的研究方法,准确评估泡沫夹芯材料的损伤范围。4结束语复合材料泡沫夹层结构在低速冲击下的敏感性迫使我们除了从提高复合材料泡沫夹层结构抗冲击损伤能力之外,还需要从其他方面进行研究,例如,与金属、陶瓷等超混杂结构,目前这种结构在高速冲击和冲击波冲击领域有着较为深入的研究,但在低速冲击领域研究还较少,研究者多集中在对单纯复合材料泡沫夹层结构的抗冲击损伤研究[6],因此在低速冲击领域,复合材料,金属,陶瓷的结构样式值得我们去研究。同时目前在承载结构中使用纯复合材料还比较少。因此复合材料泡沫夹层结构可能是目前以及今后一段时间内使用的承载结构形式。参考文献:[1]张建华,周平,侯日立.飞机结构撞击损伤预测的现状及发展[J].空军工程大学学报,2004,5(5):5-8.[2]温卫东,徐颖,崔海坡.低速冲击下复合材料损伤分析[J].材料工程,2007;(7):6-11.[3]程小全,等.低速冲击后复合材料的压缩破坏行为[J].复合材料学报,2001,18(1).[4]沈真,等.含缺陷复合材料层压板的压缩破坏机理[J].航空学报,1991,12(3).[5]AbrateS.ImpactonCompositeStructures.CambridgeUniversityPress.1998.[6]王杰,汪海.复合材料泡沫夹层结构低速冲击与冲击后压缩性能研究[D].2013.[7]崔海坡,温卫东,崔海涛等.复合材料板冲击损伤及剩余强度研究进展[J].材料科学与工程学报,2005,23(3):466-472.[8]张彦,来新民,朱平等.复合材料铺层板低速冲击作用下损伤的有限元分析[J].上海交通大学学报,2006,40(8):1348-1353.[9]吴国清,潘英才,张宗科,黄正.超轻纤维金属泡沫板的研究进展[D].航空制造技术,2016.[10]张敬芬,赵德有.工程结构裂纹损伤振动诊断的发展现状和展望[J].震动与冲击,2002,21(4):23-26.[11]吴梵,滑林.腐蚀、疲劳损伤下船体结构可靠性研究现状与展望[J].中国舰船研究,2017,12(5):52-63.
本文档为【复合材料泡沫夹层结构低速冲击性能研究进展】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑, 图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
该文档来自用户分享,如有侵权行为请发邮件ishare@vip.sina.com联系网站客服,我们会及时删除。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。
本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。
网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
下载需要: 免费 已有0 人下载
最新资料
资料动态
专题动态
is_361492
暂无简介~
格式:doc
大小:37KB
软件:Word
页数:3
分类:
上传时间:2019-02-24
浏览量:23