【摘 要】
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碳纤维复合材料（CFRP）因为具有轻质高强等优良特性而逐渐替代传统金属材料被广泛地应用于各类航空航天结构中,但是由于其在飞机结构中的应用多为物件的外部壳体,在飞机运行或维修安装过程中极易受到外来物的冲击,这些冲击通常来自不同角度具有不同的能量,可能会造成复合材料飞行器结构的严重损伤从而导致其剩余强度显著降低。因此,亟需对不同冲击条件下CFRP的损伤规律进行探究,并设法提高其冲击阻抗及损伤容限,以提
【基金项目】
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国家自然科学基金（51763016和51875201）；
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碳纤维复合材料（CFRP）因为具有轻质高强等优良特性而逐渐替代传统金属材料被广泛地应用于各类航空航天结构中,但是由于其在飞机结构中的应用多为物件的外部壳体,在飞机运行或维修安装过程中极易受到外来物的冲击,这些冲击通常来自不同角度具有不同的能量,可能会造成复合材料飞行器结构的严重损伤从而导致其剩余强度显著降低。因此,亟需对不同冲击条件下CFRP的损伤规律进行探究,并设法提高其冲击阻抗及损伤容限,以提升飞机的飞行安全性。目前国内外对复合材料层合板正向冲击特性的研究已经较为成熟,所以本文结合实验和Abaqus有限元模拟,聚焦于碳纤维复合材料层合板的侧向冲击及冲击后剩余压缩性能研究,同时在复合材料板的层间引入缝合工艺,探索缝合对碳纤维复合材料层合板侧向冲击性能的提升作用,具体研究工作如下:首先利用VARTM技术制备了三种不同铺层方式、两种不同缝合密度的缝合/未缝合CFRP层合板试样,并分别对其进行了2 J、5 J、10 J和15 J四种能量的侧向冲击实验。探究缝合对CFRP层合板侧向冲击性能的影响,比较不同缝合密度、不同铺层方式以及不同冲击能量下的缝合CFRP层合板的侧向冲击性能差异。然后通过目视观察、超声C扫描以及Micro-CT断层摄影三种方式对冲击后的CFRP层合板进行损伤检测,研究上述各因素对结构冲击损伤的影响。同时,对未受冲击及冲击后的层合板进行了压缩实验,对比分析各组试样在压缩载荷、压缩位移及压缩失效模式等方面的不同,并利用公式计算出了试样的冲击后剩余压缩强度,分析研究CFRP层合板的侧向冲击后损伤容限性能。另外还利用Abaqus有限元模拟软件建立了缝合及未缝合CFRP层合板的侧向冲击模型,模拟缝合/未缝合CFRP层合板的侧向冲击实验过程,帮助分析实验中不易观察到的层合板损伤演变规律等,并通过实验结果验证了模型的可靠性。综合实验与模拟的结果可以发现,缝合工艺的引入能有效提高CFRP层合板的侧向冲击阻抗及损伤容限,缝合密度为15 mm×15 mm的层合板其冲击接触峰值力相比于未缝合层板提高了4.35%-12.43%,而冲击后剩余压缩强度的增幅最高达到13.38%;CFRP层合板的侧向冲击损伤模式表现为面板上靠近冲击点附近的半椭圆形分层区域,未缝合层板侧向冲击后压缩的主要破坏形式为分层扩展,而缝合层板侧向冲击后的主要压缩失效形式为整体屈曲;模拟与实验得到的层板最大冲击接触力较为接近,最大误差为22.40%,CFRP层合板侧向冲击后的层内损伤形式主要为纤维压缩,且各层内的纤维压缩损伤均沿着纤维方向扩展演变。
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