纖維復(fù)合材料層合板的層間增韌及低速沖擊研究.pdf

1、近年來復(fù)合材料的應(yīng)用量呈逐年增長趨勢，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用尤為廣泛，其中碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)由于其自身的特殊優(yōu)勢，尤其是輕量化和高強(qiáng)度，作為結(jié)構(gòu)件得到大量應(yīng)用，顯著改善了航空航天器的燃油經(jīng)濟(jì)性能。同時CFRP在其他產(chǎn)品領(lǐng)域，包括民用交通工具、建筑、體育器材等，也得到一定應(yīng)用。但其層合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)導(dǎo)致層間力學(xué)性能與纖維鋪層相比較弱，容易出現(xiàn)分層損傷，并進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能。另一方面在服役過程中，復(fù)合材料層合板遭受低速

2、沖擊的概率非常高，并且一般不會在沖擊表面留下目視可檢的損傷。但在層合板結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能形成基體開裂、層間分層，這些損傷會嚴(yán)重降低層合板的剩余強(qiáng)度，特別是橫向面內(nèi)的壓縮強(qiáng)度。上述損傷的產(chǎn)生會留下潛在的安全隱患，因此開展層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的典型破壞及層間增韌研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
　　本文通過引入“離位”增韌技術(shù)，使用尼龍無紡布(Polyamide Non-wovenFabric，PNF)增韌層，實現(xiàn)了對層合板Ⅰ型、Ⅱ型斷裂韌性

3、的大幅提高，有效抑制了分層損傷的產(chǎn)生。采用雙線性內(nèi)聚力模型(Cohesive Zone Model，CZM)代表增韌區(qū)力學(xué)行為，以基于連續(xù)損傷力學(xué)模型進(jìn)行二次開發(fā)的材料本構(gòu)來表征鋪層的力學(xué)特性，通過商業(yè)有限元軟件ABAQUS建立了雙懸臂梁彎曲實驗和端部切口實驗的有限元模型，開展相關(guān)數(shù)值分析，并研究了關(guān)鍵參數(shù)對復(fù)合材料整體力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著增韌區(qū)強(qiáng)度的增加，分層的臨界載荷與臨界位移有增大趨勢。而隨鋪層厚度的增加，除分層擴(kuò)展的臨界

4、位移呈減小趨勢外，初始斜率、峰值載荷和裂紋擴(kuò)展距離均增加。此外，兩種斷裂的初始斜率和峰值載荷都隨預(yù)制裂紋長度增加而減小，但Ⅰ型分層臨界位移隨預(yù)制裂紋長度的增加逐漸增大，而Ⅱ型分層臨界位移隨預(yù)制裂紋長度的增加先減小后增大。
　　在準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，本文針對低速沖擊問題開展了動態(tài)力學(xué)研究。首先針對國內(nèi)民用量較大的C1500材料體系層合板，開展低速沖擊實驗及超聲C掃描、沖擊后壓縮強(qiáng)度(CAI)測試等相關(guān)損傷檢測，并進(jìn)一步探討了層合

5、板厚度、鋪層方式對其沖擊響應(yīng)和損傷的影響。研究發(fā)現(xiàn)層合板厚度一定時，相對于[45/0/-45/90]2s試樣，[0/90]4S和[45/-45]4s試樣的沖擊載荷更低，且這兩個試樣具有更長的沖擊行程。在6.67J/mm的標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量下，損傷面積隨試樣鋪層數(shù)的減小明顯減小。[45/-45]4s層合板的損傷面積更接近于[45/0/-45/90]2s，而[0/90]4s層合板的損傷小于前兩者。同時C1500材料體系的CAI在160-180MP

6、a左右。
　　最后結(jié)合實驗與數(shù)值分析方法，開展尼龍無紡布層間增韌纖維復(fù)合材料的低速沖擊破壞研究，揭示了碳纖維復(fù)合材料在低速沖擊下的力學(xué)行為及其損傷機(jī)理，并進(jìn)一步研究了增韌區(qū)厚度和強(qiáng)度對復(fù)合材料整體沖擊性能的影響，對增韌層設(shè)計提出了合理建議。研究發(fā)現(xiàn)基體斷裂和分層是層合板遭受低速沖擊時最主要的損傷模式。隨著增韌區(qū)厚度的增加，試樣的初始剛度和峰值載荷都明顯減小，且試樣的承載能力受層間剪切強(qiáng)度影響更大。同時隨著增韌區(qū)厚度的減小或強(qiáng)度的增