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复合材料层压板和加筋结构的低速冲击响应与损伤参数关系研究

作　者: 王一飞
导　师: 张晓晶
学　校: 上海交通大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 复合材料落锤冲击响应参数损伤参数加筋结构
分类号: V229.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

复合材料结构在飞行器服役和维护过程中会不可避免地受到低速冲击的威胁,造成材料和结构多种形式的损伤,给飞行器结构完整性和飞行安全带来隐患。研究复合材料及其典型加筋结构在低速冲击下的响应特点、损伤特征,以及二者之间的联系,不仅从损伤阻抗研究的角度是十分必要的,对于损伤容限设计也具有工程意义。本文针对复合材料标准冲击试样,用落锤试验手段研究了三种不同铺层层压板的低速冲击特性。分析了冲击响应接触力和能量的基本特性及变化规律,发现冲击能量相对于层压板阻抗水平的不同会导致接触力-时间曲线形状的差异。从冲击总能量、吸收能量和损伤耗散能量的角度阐释了能量和接触力与层压板分层损伤、凹坑变形的关系。对最大接触力和峰值接触力的含义进行了明确,阐释了最大接触力是表征层压板损伤阻抗性能的一个门槛值。同时,基于商用软件ABAQUS进行了冲击过程动态有限元模拟。采用HASHIN准则和等效线性损伤演化模拟冲击载荷下的渐进失效。层间加入COHESIVE元,并以基于牵引-分离行为的损伤演化准则模拟分层损伤的产生和发展。计算得到的冲击响应各参数和损伤结果与试验结果有较好的对应关系。在标准试样研究的基础上,使用便携式落锤冲击设备以一系列能量对加筋结构的两个部位进行了冲击试验。得到了加筋板的包括接触力、能量、速度、挠度的冲击响应参数和包括凹坑深度、损伤面积的损伤参数。对试验结果进行统计,分析了不同冲击能量下接触力曲线的固有特征和变化趋势,并给出了合理解释。揭示了凹坑深度、损伤面积与冲击能量的对应关系,讨论了加筋结构在冲击下的主要损伤形式和损伤部位。比较了端部冲击与中间部位冲击,加筋结构与标准试样冲击之间冲击响应参数与损伤参数的异同。使用有限元方法对加筋结构的冲击试验进行了模拟,并讨论了其冲击响应各参数和损伤参数的固有变化规律。研究表明,计算冲击响应结果和主要损伤结果与试验结果有较好的对应关系。同时,对有限元与试验的相似性和差异性进行了分析讨论。

复合材料层压板和加筋结构的低速冲击响应与损伤参数关系研究

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