【摘 要】
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在现代民用飞机中,为飞机减重和增加内部装饰部件的工艺性能,在飞机内部装饰中也采用了大量的复合材料。但复合材料在航空器上的大规模应用,提高了航空器的火灾风险性。在火灾环境下,聚合物基复合材料温度逐渐升高,聚合物基质将发生热分解反应,产生热解气体,材料内部的气体积聚并形成内部压力,当内部压力过大时会导致复合材料结构的变形和分层失效。本文考虑了火灾环境下聚合物基复合材料所发生的一系列物理化学变化,并构建
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在现代民用飞机中,为飞机减重和增加内部装饰部件的工艺性能,在飞机内部装饰中也采用了大量的复合材料。但复合材料在航空器上的大规模应用,提高了航空器的火灾风险性。在火灾环境下,聚合物基复合材料温度逐渐升高,聚合物基质将发生热分解反应,产生热解气体,材料内部的气体积聚并形成内部压力,当内部压力过大时会导致复合材料结构的变形和分层失效。本文考虑了火灾环境下聚合物基复合材料所发生的一系列物理化学变化,并构建了聚合物基复合材料的温度-压强耦合分析数学模型,并利用UMATHT与USDFLD等用户子程序的二次开发完成了对数学模型编译,从而构建了聚合物基复合材料的温度-压强耦合分析模型。分别对玻璃纤维/乙烯基酯、玻璃纤维/酚醛树脂和碳纤维环氧树脂三种材料体系展开有限元建模计算,同时,在35k W/m~2与50k W/m~2两种热流工况下对105mm×105mm×9.6mm的碳纤维环氧树脂层合板进行了热响应试验,测量了碳纤环氧树脂在不同热流下的温度变化曲线,其温度测量值与模型计算值吻合较好,验证了模型的可行性,并分析三种材料体系的热响应规律及压强分布和压强变化规律。本文通过双线性内聚力单元建立了由压强引起的聚合物基复合材料分层损伤模型,采用最大应力准则、B-K准则,分别判断分层的萌生及其扩展变化。对碳纤环氧树脂层合板进行建模分析,与热响应试验后的碳纤维环氧树脂层合板的CT扫描图对比验证了模型的可行性,并对内部压强作用下的碳纤环氧树脂层合板的应力、位移规律展开分析。研究发现,在单侧热流作用下,聚合物基复合材料同一位置处,分解因子随热解反应的进行不断变小,且随加热时间增加,分解因子变化由强逐渐减缓,渗透率、孔隙率随之逐渐增大。当热流密度增大时,热分解反应提前,密度降低幅度增大,其中心区域的渗透率、孔隙率、密度变化增大,且变化区域增大。聚合物基复合材料内部压强升高是由材料内部温度升高,热反应分解产生的气体在孔隙中聚集,以及其余位置的分解部分的气体逃逸三部分引起,其中热反应分解所产生的气体引起的压强占主导。内部压强下降是由于随着热分解的进行,材料内部孔隙率增大,使得存贮气体的体积增大,以及渗透率增大,使得孔隙内部的气体更易向外逸出。在50k W/m~2热流下,碳纤维/环氧树脂层合板内部受压强作用发生分层,受热面的中心点处位移最大,达到0.64mm,随着厚度方向加深,分层损伤开始减弱,分层位移随之减小。绝热面中心区域向下发生分层,绝热面中心点的位移为-0.18mm。在分层损伤模型中,接近受热面的内聚力单元均在中心点位置开始发生分层损伤,由中心点逐渐向四周扩展,在绝热面附近的内聚力单元由层合板四角区域开始发生分层损伤,向内部开始扩展。碳纤维环氧树脂层合板内部应力主要集中在未发生失效的单元与失效单元的相邻的节点上。
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