FRP-金屬混雜層合板低速?zèng)_擊損傷數(shù)值分析.pdf_第1頁(yè)
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1、纖維增強(qiáng)金屬層合板(FiberReinforcedMetalLaminates,簡(jiǎn)稱FRMLs)是在上世紀(jì)80年代初,由荷蘭的J.Schije、L.B.Vogelesang和荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)航空系材料研究室始創(chuàng)的旨在用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的非疲勞敏感性材料。它是將鋁合金薄板與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)合起來(lái)而產(chǎn)生的一種新型結(jié)構(gòu)材料,與相應(yīng)的單一輕金屬合金相比,它質(zhì)輕、耐疲勞;與傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)層合板(FiberReinforcedPlastic,簡(jiǎn)稱

2、FRP)相比,其優(yōu)點(diǎn)是:它能像常規(guī)金屬合金薄板那樣進(jìn)行處理和加工。經(jīng)過(guò)20多年的研究,人們對(duì)FRMLs的常規(guī)性能已有了較深入的了解,但是對(duì)于其沖擊性能以及缺口件強(qiáng)度特征等方面的認(rèn)識(shí),無(wú)論是實(shí)驗(yàn)研究、理論分析,還是數(shù)值計(jì)算方面均存在很大不足,而鑒于其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的日益增加的應(yīng)用需求,對(duì)該領(lǐng)域的研究又顯得尤為重要和緊迫。FRMLs在制造、使用和維護(hù)過(guò)程中不可避免地會(huì)受到意外物體的沖擊(許多情況下是低速?zèng)_擊),從而造成結(jié)構(gòu)的損傷和承載能力的下

3、降。而這樣的低速?zèng)_擊損傷往往在表面難以發(fā)覺(jué),因此存在著很大的潛在危害性。層合板的低速?zèng)_擊(LowVelocityImpact,簡(jiǎn)稱LVI)一直是學(xué)者們關(guān)注的重要課題。但關(guān)于新型復(fù)合材料FRMLs的沖擊性能研究,其成果非常有限。復(fù)合材料的沖擊損傷過(guò)程非常復(fù)雜。首先涉及到?jīng)_擊-接觸問(wèn)題,另外還要考慮在沖擊過(guò)程中層合板的主要損傷模式(基體開(kāi)裂、分層),以及應(yīng)用合適的模型及相應(yīng)的處理方法。本文在三維動(dòng)態(tài)有限元分析的基礎(chǔ)上,分別對(duì)沖頭和層合板劃分

4、網(wǎng)格,建立兩者在沖擊過(guò)程中的沖擊-接觸關(guān)系,采用顯式中心時(shí)間差分法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程求解。在分析了層合板損傷的基本形式及其力學(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上,引入修正的Hashin基體失效準(zhǔn)則和Choi-Chang在應(yīng)力分量的基礎(chǔ)上提出的分層判據(jù),分別對(duì)沖擊過(guò)程中的基體開(kāi)裂和層間分層兩種損傷模式進(jìn)行判斷;并利用剛度退化和解除耦合節(jié)點(diǎn)自由度的方法來(lái)模擬損傷對(duì)層合板結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)對(duì)若干種層合板結(jié)構(gòu)的沖擊損傷模擬,得到如下主要結(jié)論:1)本文所建立的層合板低速?zèng)_擊損傷

5、模型,不僅能夠有效的模擬層合板的低速?zèng)_擊動(dòng)態(tài)響應(yīng),還能夠根據(jù)層合板在沖擊過(guò)程中的損傷模式(基體開(kāi)裂、分層)進(jìn)行相應(yīng)的處理(剛度退化、釋放耦合節(jié)點(diǎn)自由度),計(jì)算得到的數(shù)值結(jié)果與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果相吻合。2)層合板在低速?zèng)_擊過(guò)程中,存在一個(gè)能量閥值,低于該值的沖擊能量不會(huì)對(duì)層合板造成損傷;以沖擊損傷能量閥值和沖擊造成的分層面積為衡量結(jié)構(gòu)抗沖擊損傷性能參數(shù),從FRP和FRMLs的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),后者的抗沖擊性能要明顯優(yōu)于前者。3)與FRP相比

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