三维编织复合材料低速冲击损伤机理及其剩余强度研究项目摘要

基于航天飞行器对材料和结构性能的特殊要求，针对不同编织工艺参数（编织角度和纤维体积含量）的三维多向编织复合材料低速冲击损伤机理及其剩余强度进行研究：对三维编织复合材料试件进行低速冲击实验和冲击后剩余强度（拉伸和压缩）实验，同时用声发射监测其破坏过程，分析其损伤类型和演化规律，为理论模型和数值模拟提供依据；基于低速冲击后破坏的试验结果和机制分析，以及软化夹杂的思想与复合材料损伤力学中的刚度衰减方法，将冲击损伤区域进行简化，根据表面凹坑的深度对冲击损伤区域进行刚度折减，然后采用点应力判据来确定试件的最终破坏；对非线性瞬态动力学的有限元模型进行开发和拓展，模拟编织复合材料在冲击载荷作用下的动态响应和破坏过程，在此基础上，运用显示动力学方法分析试件剩余强度的准静态破坏。本项研究目的在于探索低速冲击条件下三维编织复合材料本构模型、损伤机理及剩余强度，控制材料的失效与破坏以提高其抗冲击能力。

本项目主要研究了三维碳/环氧编织复合材料的低速冲击和冲击后压缩性能（CAI）。对不同编织角度和编织结构的试件在不同的冲击能量水平进行低速冲击测试。CAI测试分析不同结构的冲击后剩余力学性能，同时采用声发射技术实时监测其测试过程以便进一步分析其损伤机理。 实验数据表明，三维编织复合材料的低速冲击力学性能及损伤模式与编织角度和编织结构相关。编织角度决定纤维束排列的紧密程度，编织角度越大纤维束排列的越紧密，其抗冲击性能越强；编织结构决定纤维束的走向，垂直于冲击方向的纤维束有较好的缓冲吸能作用，能限制冲击损伤向非冲击面的扩展。并以结构最复杂的三维六向编织复合材料为例，将有限元技术与细观力学理论相结合，根据复合材料的细观结构，建立起具有代表性的有限元单胞模型，系统地分析其刚度和强度随编织参数的变化规律。在此基础上，用Chang-Chang失效准则作为判据对材料的低速冲击损伤过程进行模拟，数值结果与实验结果吻合较好。 CAI性能和损伤机理主要受编织纤维束的轴向支撑影响。编织角越小，编织纱沿压缩方向承载能力越强，其CAI性能也就越高，在压缩过程中，纤维受力比较均匀，达到极限载荷时纤维发生脆性断裂，且断裂面平齐。随着编织角增加，编织纱沿压缩方向承载能力减弱，其CAI性能也就越低，纤维不容易沿编织纹理方向发生破坏，纤维束界面基体开裂导致剪切破坏而使材料失效。编织结构的不同对编织复合材料的压缩性能及破坏模型也有所影响：三维五向编织复合材料的轴向纱线直接承受压缩载荷，因此其相应的CAI性能要高些；而三维六向编织复合材料虽然有轴向纱线承受载荷，但由于横向纱线（和载荷方向垂直，不承受载荷）的存在，在相近纤维体积含量的情况下，降低了轴向纱线和编织纱线的含量，因此其CAI性能最低，且横向纱不承受压缩载荷，限制了纤维束沿纤维束边界的剪切破坏，随着载荷的增加，在冲击损伤区域的纤维束界面基体开裂比较集中，纤维束失去基体的支撑，在压缩载荷作用下极易发生屈曲，因此角度较大的三维六向编织复合材料呈现局部弯曲。通过声发射信号的能量、峰值频率和幅度等特征参数，采用多参数历程图分析法，并结合载荷-位移曲线，把CAI损伤过程分为不同的损伤阶段，讨论了三维编织复合材料的CAI损伤演化规律，结合波形信号的频谱特性揭示材料的损伤机理。

双层夹心复合材料结构是指在传统的单层夹心复合材料结构的芯材中间，再插入一层很薄的类似面板的中间层(内面板)而形成的由三层面板和两层芯材组成的叠层结构。与传统的单层复合材料夹心结构相比,其具有更高的力学性能、更强的功能性（如隔音、隔热、隐身、减振性能）以及更好的可设计性（可形成对称与非对称结构设计、结构功能一体化设计）。本项目将采用实验和数值模拟相结合的方法，研究纸蜂窝、铝蜂窝、聚胺酯泡沫芯等与玻璃纤维平纹布/环氧层合板面板组成的双层夹心结构的力学特性；研究其在横向冲击载荷下的变形、损伤机理；预测其冲击损伤和冲击后剩余强度；研究冲击能量、芯材材料及两芯材的密度比、内面板位置等结构参数对损伤阻力、损伤容限以及能量吸收与耗散机理的影响规律；揭示内面板对能量吸收及耗散的作用机理，提出能量吸收与能量耗散的表征方法。为新型多层夹心复合材料结构及其它抗低速冲击多层结构的设计提供理论依据和分析方法。 2100433B

在试验观察和研究含损伤先进复合材料格栅加筋结构（AGS）服役期的后继损伤、破坏及其失效特征的基础上，采用理论和实验相结合的方法，建立含损伤格栅加筋结构的破坏全过程数值仿真的分析理论、模型和方法，通过工程典型含损伤复合材料格栅加筋结构的参数讨论，系统地研究先进复合材料格栅加筋结构在承载过程中可能出现的多种损伤形式和扩展方式，以及多种损伤形式间的耦合效应；预测结构的剩余承载能力，为该类结构的损伤容限的制定提供理论依据。本项目的研究成果将为我国航空和航天结构分析工作者和设计师们提供先进复合材料格栅加筋结构的损伤容限设计思想和方法，以促进我国先进复合材料格栅加筋结构的应用和研究领域的发展，故具有重要的理论意义和工程价值。 2100433B