小质量冲击下层压板分层响应特性与接触力测量方法数值模拟研究

摘要

基于II型复合材料裂纹能量释放率（GⅡ）和层间剪切强度(interlaminar shear strength,ILSS）的分层阈值力模型，提出了翼梁-蒙皮T型粘接区的冲击分层阈值力计算方法。在具有不同蒙皮厚度的共固化复合材料翼盒上进行低速冲击实验，冲击点分为两类，一类位于两翼梁间蒙皮的中点（A型），另一类位于梁缘条和蒙皮的T型粘接区域边缘（B型）。结果表明，使用所提出的模型，用A型区域的分层阈值力可很好的预测B型区域的分层阈值力。根据某区域A型冲击点分层阈值力，获得材料的GⅡ和ILSS，然后计算其他区域B型冲击点的分层阈值力。分别基于GⅡ和ILSS构造对应的线性函数，对实验数据进行线性拟合，根据拟合函数计算各种参数下的分层阈值力，可使预测精度得到提高。
　　使用有限元方法建立复合材料层压板三维模型和弹性冲击头模型，使用胶接单元来模拟分层的发生与扩展。首先模拟了落重冲击实验中的接触力变化，结果表明，接触力-时间曲线以及分层情况与实验结果一致。当层压板出现大面积分层时，接触力出现突降，通过冲击头应变响应计算出的接触力与软件直接输出的接触力吻合。对小质量物体冲击过程的模拟表明，接触力上升斜率在发生分层损伤时刻突降。根据接触力-时间曲线特性，开发了分层阈值力识别程序，可通过读取接触力数据，输出分层阈值力的值。
　　在小质量冲击下，使用冲击头的应变响应计算接触力，发现其纵向振动会严重干扰接触力的测量结果，使用滤波方法去除干扰，所得接触力与实际接触力吻合，并且在损伤发生的时刻会发生明显波动。冲击点背面速度也可显示出分层的发生，而位移与应变则不能。分层时的冲击响应的特征有助于在材料冲击阻抗测试中快速获得导致分层的冲击力和冲击能量的阈值。

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第一章 绪论

1.1. 研究背景与研究意义

1.2. 国内外研究现状

1.3. 本文研究内容

第二章 层压板冲击分层阈值力模型

2.1. 各向异性材料的本构

2.2. 单向板的应力-应变关系

2.3. 经典层压板理论

2.4. 复合材料层压板冲击动力学方程

2.5. 分层阈值力模型

2.6. 本章小结

第三章 复合材料翼盒壁板胶接区分层阈值力模型对比

3.1. 复合材料翼盒落重冲击实验

3.2. 实验数据分层阈值力识别程序开发

3.3. 粘结区域分层阈值力预测结果

3.4. 基于线性拟合的分层阈值力模型

3.5. 本章小结

第四章 层压板冲击分层响应仿真方法研究

4.1. 复合材料层压板冲击问题数值模拟

4.2. 基于胶接单元的层压板冲击分层模拟

4.3. 本章小结

第五章 小质量冲击下层压板和冲头响应特性

5.1. 小质量冲击过程模拟

5.2. 冲头响应特性

5.3. 冲头对冲击接触力的影响分析

5.4. 分层阈值力识别程序应用于小质量冲击

5.5. 小质量冲击点速度、应变与位移特征分析

5.6. 本章小结

第六章 总结与展望

6.1. 主要工作与结论

6.2. 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

致谢