飞机复合材料层合结构力响应及低能量冲击损伤研究

发布时间：2017-05-31 17:11

  本文关键词：飞机复合材料层合结构力响应及低能量冲击损伤研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：与金属材料相比，复合材料强度高、刚度大、重量轻，并具有良好的抗疲劳、耐高温、可设计等许多优点，近年来被越来越广泛的应用于航空航天、交通运输等各个领域。然而，复合材料也存在其致命的弱点，即对外来冲击载荷非常敏感，极易产生冲击损伤。因此，深入研究复合材料的冲击损伤问题及其影响因素，提高其抗冲击性能，具有重要的实际意义。 本文首先对两类不同芯层厚度的复合材料泡沫夹芯板试件进行了动态冲击实验研究，考虑了不同冲击能量和不同冲头的影响。得到了不同实验环境下各组试件的冲击力、位移等动态曲线及其破坏模式，总结了各种影响因素下的动态响应变化规律。 利用动力有限元方法对冲击实验进行了数值模拟，通过对比分析模拟结果和实验结果，验证了所采用数值模拟方法的可靠性。并在此基础上，分别对某型无人侦察机复合材料卫通天线罩鸟体撞击，以及某型军用飞机复合材料机翼前缘冰雹撞击下的动力响应问题进行了数值模拟研究。研究结果为实际复合材料飞机结构设计提供了一定的参考依据。 着重研究了对复合材料层合结构危害更加致命的低能量冲击损伤问题。针对复合材料层合结构不同冲击损伤模式的特征，将层合结构看成是由纤维铺设方向一致的子层结构和相邻子层间的界面层两部分组成，分别采用不同的损伤分析方法，建立了相应的损伤分析模型。同时，对于冲击损伤此类高度非线性问题，提出了基于动力有限元分析软件LS-DYNA的数值模拟求解方法，包括有限元模型的准确建立，以及整个数值模拟分析流程。 利用LS-DYNA程序，研究了复合材料层合板在低能量冲击载荷下各种损伤模式的产生、演化过程及其特征，通过与文献中研究结果的对比分析，验证了损伤分析模型的可靠性。结果表明，，分层损伤和基体开裂损伤是复合材料层合结构低能量冲击损伤的主要表现形式，且各种损伤模式并不是同时出现的，其中基体开裂损伤最先出现，其次基体挤压破坏；然后是纤维压缩破坏和极少量的纤维断裂破坏，分层损伤最后出现。 最后，讨论研究了若干因素，包括冲头质量、冲击能量、材料性能等对复合材料层合板低能量冲击损伤的影响。结果表明，复合材料层合板的低能量冲击损伤情况与冲头的质量、冲击速度均没有直接关系，而只是和冲击能量相关；冲击损伤面积随着冲击能量的增大而增大，其中分层损伤面积与冲击能量近似呈线性变化，并且分层损伤还存在一个能量阀值；另外，高模高强复合材料能够比较有效的限制低能量冲击损伤的产生。 本文的研究结果为下一步开展冲击损伤后复合材料结构剩余强度，以及疲劳寿命的研究工作奠定了基础。
【关键词】：飞机 复合材料 动力响应 冲击损伤 数值模拟
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V214.8
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 研究背景和意义12-17
• 1.1.1 复合材料的应用背景12
• 1.1.2 复合材料的基本构造12-14
• 1.1.3 复合材料与金属材料的比较14-15
• 1.1.4 复合材料冲击损伤特征15-16
• 1.1.5 复合材料低能量冲击损伤的研究意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-23
• 1.2.1 实验研究17-20
• 1.2.2 数值模拟研究20-23
• 1.3 现有研究工作的不足之处23-24
• 1.4 本文的主要研究工作及内容24-26
• 第二章 复合材料泡沫夹芯板动态冲击实验26-41
• 2.1 引言26
• 2.2 实验方案26-27
• 2.3 动态测试系统简介27-29
• 2.4 冲击实验结果与分析29-40
• 2.4.1 薄芯试件组实验结果及其分析31-35
• 2.4.2 厚芯试件组实验结果及其分析35-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第三章 复合材料飞机结构冲击动力响应仿真分析41-62
• 3.1 引言41
• 3.2 LS-DYNA及动力有限元简介41-44
• 3.2.1 显式时间积分41-43
• 3.2.2 动态接触算法43-44
• 3.3 复合材料泡沫夹芯板冲击实验仿真分析44-47
• 3.3.1 有限元模型44-45
• 3.3.2 仿真结果与实验结果的对比45-47
• 3.4 复合材料卫通天线罩鸟撞动力响应仿真分析47-53
• 3.4.1 有限元模型建立47-48
• 3.4.2 材料本构模型48-49
• 3.4.3 计算工况49
• 3.4.4 仿真分析结果49-53
• 3.5 复合材料机翼前缘冰雹撞击动力响应仿真分析53-60
• 3.5.1 有限元模型建立53-55
• 3.5.2 材料本构模型55
• 3.5.3 计算工况55
• 3.5.4 仿真分析结果55-60
• 3.6 本章小结60-62
• 第四章 复合材料层合结构低能量冲击损伤分析模型62-74
• 4.1 引言62
• 4.2 复合材料层合结构冲击损伤模式62-63
• 4.2.1 层内损伤62-63
• 4.2.2 层间损伤63
• 4.3 复合材料层合结构损伤分析模型63-70
• 4.3.1 层内损伤分析模型64-67
• 4.3.2 层间损伤分析模型67-70
• 4.4 冲击损伤分析模型的数值模拟实现方法70-73
• 4.4.1 有限元模型建立70-71
• 4.4.2 数值模拟分析流程71-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第五章 复合材料层合结构低能量冲击损伤数值模拟74-96
• 5.1 引言74
• 5.2 复合材料层合板冲击损伤预测分析74-84
• 5.2.1 有限元模型74-76
• 5.2.2 材料模型76-77
• 5.2.3 数值模拟结果77-84
• 5.3 复合材料层合结构低能量冲击损伤影响因素研究84-94
• 5.3.1 冲头质量的影响85-87
• 5.3.2 冲击能量的影响87-91
• 5.3.3 复合材料性能的影响91-94
• 5.4 本章小结94-96
• 结论及展望96-100
• 1.全文总结96-98
• 2.展望98-100
• 参考文献100-105
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果105-106
• 致谢106-107
• 答辩委员会对论文的评定意见107

【引证文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 徐颖;复合材料层合板冲击损伤及冲击后疲劳寿命研究[D];南京航空航天大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 张涛;一种新型可导向防撞垫的抗撞性能研究[D];华南理工大学;2013年

  本文关键词：飞机复合材料层合结构力响应及低能量冲击损伤研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：410106