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不同铺设角度面板/泡沫夹芯复合材料准静态侵彻和低速冲击性质实验和数据研究

【摘要】:泡沫夹芯复合材料因轻质和高抗弯刚度已被广泛应用到高速车辆和飞机等领域,研究泡沫夹芯复合材料力学性质对进一步工程应用和设计有重要意义。本文研究目的是从实验测试和数值模拟两个途径揭示具有不同铺设角度碳纤维预浸料面板/泡沫夹芯复合材料在准静态侵彻和低速冲击下的能量吸收与损伤机理,用于夹芯复合材料抗冲击设计。 实验采用MTS材料测试系统和Dynatup9250HV落锤冲击试验系统分别测试夹芯复合材料的静态侵彻与低速冲击性能,研究不同铺层方式对夹芯复合材料性能的影响。结果表明,单轴向铺层[0°]8的泡沫夹芯复合材料在静态测试中具有最大载荷峰值,而在低速冲击测试中载荷峰值、冲击位移与能量吸收均最小,破坏面积、冲击深度及裂纹长度最大。在相同冲击能量条件下,[±45°]2s铺层方式比[0°]8,[0°,90°]2s,和[0°,+45°,90°,-45°]s铺层方式吸收更多的能量,并且冲击深度最浅,说明[±45°]2s铺层方式具有更好的动态机械性能。加载速度对夹芯结构复合材料影响很大,静态加载中泡沫夹芯复合材料表现为韧性,而动态中表现为脆性。 采用有限元方法计算夹芯复合材料在静态侵彻与低速冲击下的初始损伤、损伤扩展以及最终破坏情况。材料芯层定义为可压缩泡沫,碳纤维复合材料面板采用Hashin准则定义失效。模拟结果表明,不同能量冲击下的载荷-位移曲线、接触时间、载荷峰值、能量吸收以及破坏形态均与实验结果有较高的一致性。材料破坏形态包括芯层破坏、碳纤维复合材料面板破坏以及界面破坏。芯层破坏是典型的断裂与压碎,碳纤维复合材料面板破坏表现为基体开裂和分层,并在纤维断裂后产生显著压痕,界面间裂纹扩展方向是从拉伸侧向挤压侧扩展。模拟结果的损伤尺寸与形态相比实验更均匀。碳纤维复合材料面板铺层方式对夹芯复合材料的破坏形态有很大影响,选择不同铺层方式可以使泡沫夹层复合材料具有更优异的耐冲击性能。 本文针对不同铺设角度面板/泡沫夹芯复合材料在静态侵彻与低速冲击性能方面的研究结果,将可以应用于此类材料在T型梁、壳和平板等工程结构的防冲击设计。

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