多层/层级热塑性复合材料夹芯板抗低速冲击性能研究

摘要

复合材料夹芯结构作为一种具有优异力学性能和多功能设计特性的轻质多功能结构，在航空航天、交通运输、风力发电、海洋工程等领域等得到了广泛的应用。使用过程中，结构不可避免地会受到各种外来物的冲击，尤其是低速冲击。已有热固性复合材料夹芯结构抗低速冲击性能的研究表明，低速冲击造成的损伤和失效机理十分复杂，严重制约着复合材料工业化的应用。相比于热固性复合材料，热塑性复合材料因具有韧性高、制造成本低、可修复、便于回收利用等优势吸引着人们的关注。目前对热塑性复合材料夹芯结构的低速冲击性能研究还还处于空白。本文针对多层热塑性复合材料波纹夹芯板和多层/层级热塑性复合材料蜂窝夹芯板开展了低速冲击研究。主要研究内容包括：　　首先，基于热压模具法和热熔粘结工艺设计并制备了玻璃纤维聚丙烯多层波纹夹芯板，开展了结构平压性能实验研究，建立了考虑多种典型失效模式的VUMAT子程序，通过改变芯层排布方式和层数研究了结构的准静态压缩响应和吸能特性，揭示了不同芯层排布方式双层波纹夹芯板的变形模式。结果表明，芯层正交排布的结构具有最高的比吸能，层数的增加能提高结构的比吸能。　　其次，以冲击能量、冲击位置、芯层排布和芯层层数为变量，通过低速冲击试验研究了多层波纹夹芯板的低速冲击响应和吸能特性。试验发现，对称排布双层波纹夹芯板有最高的能量吸收效率，增加层数可以降低结构的冲击损伤程度。建立了考虑多种典型失效模式的 VUMAT 子程序，开展了波纹夹芯板低速冲击响应分析，模拟结果与试验吻合较好。　　然后，对面板为编织玻璃纤维聚丙烯基体、芯层为聚丙烯蜂窝的夹芯板进行平压实验，以评估其平压响应和吸能特性。结果表明增加层数能降低峰值应力。接着，采用试验和数值仿真相结合的方法，通过改变冲击能量，芯层高度和夹芯板层数研究蜂窝夹芯板的抗低速冲击性能。研究表明，芯层高度的增加有利于降低冲击峰值，延长整个冲击过程时长，层数增加能提高结构的损伤阻抗。　　最后，基于层级结构的设计思想，以蜂窝夹芯板为一级结构肋板，通过开槽嵌锁工艺制备了层级热塑性复合材料蜂窝夹芯板，通过改变冲击能量研究了结构的低速冲击响应和损伤破坏模式。

目录

1 绪 论

1.1.1点阵夹芯结构简介

1.1.2复合材料夹芯结构简介

1.1.3点阵夹芯结构的制备工艺

1.2点阵夹芯研究现状

1.2.1静态力学性能

1.2.2动态力学性能

1.2.3结构设计

1.3本文的主要研究内容

2 多层热塑性复合材料波纹夹芯板平压性能

2.1 引言

2.2.1波纹夹芯板原材料

2.2.2波纹夹芯板的制备

2.3.1 平压实验

2.3.2 数值模型

2.3.3 结果与分析

2.4 本章小结

3 多层热塑性复合材料波纹夹芯板抗低速冲击性能

3.1 引言

3.2.1试验设置

3.2.2试验结果分析

3.3 数值仿真

3.3.1有限元模型

3.3.2数值仿真结果分析

3.4 本章小结

4 多层热塑性复合材料蜂窝夹芯板抗低速冲击性能

4.1 引言

4.2 试验材料

4.3.1平压实验

4.3.2实验结果与分析

4.4.1低速冲击试验

4.4.2有限元模型

4.4.3结果与分析

4.5 本章小结

5 层级热塑性复合材料夹芯板的抗低速冲击性能

5.1 引言

5.2.1层级结构的制备

5.2.2低速冲击试验

5.2.3 试验结果与分析

5.3 本章小结

6 结 论

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表或录用的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢