强激光辐照后复合材料T型接头高温失效机理研究

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复合材料T型接头作为一种轻质高效的正交连接形式,广泛应用于航空航天、轨道交通等领域的工程结构中。飞行器服役时复合材料结构的安全可靠是研究人员首要考虑的关键问题。目前,高超声速飞行器飞行时会面临严酷的气动热,高温环境下材料热物理性能下降及热应力的产生使得T型接头成为结构中的薄弱环节,极大地危害结构飞行安全。传统常温下T接头的力学特性研究已不能满足高超声速飞行器的服役要求,在遭受激光武器攻击后接头的失效机理及力学特性尚未通过试验及仿真得到有效阐明。本文以CCF800H/AC631碳纤维增强双马树脂复合材料T型接头为研究对象,通过激光辐照试验、辐照后拉伸试验及仿真模拟研究,系统研究了复合材料T型接头在不同激光器参数下的毁伤机理、毁伤后高温环境下的拉伸失效机理及力学特性,为该类材料和结构的激光毁伤效果及毁伤后高温力学失效机理提供了理论和方法支撑。本文主要研究内容和结论如下:(1)建立了复合材料T型接头底板激光毁伤行为模拟的仿真方法,并通过激光器激光功率、辐照时间、光斑直径等不同参数下的毁伤试验验证了该模型的准确性及可靠性。模型采用动态热源联用USDFLD及DFLUX子程序获取了激光烧蚀下的温度分布及烧蚀坑、热影响区形貌等参数,实现了激光毁伤下T接头底板烧蚀行为的准确预测。不同参数下T接头底板毁伤效果不同,烧蚀形貌受铺层角度及铺层顺序影响,揭示了不同铺层角度下碳纤维/双马树脂复合材料的激光烧蚀机理。(2)基于上述毁伤模型建立了T接头常温下(20℃)拉伸失效行为模拟的仿真方法,并通过常温静力学拉伸试验验证了该模型的有效性。模型采用内聚力单元模拟T接头腹板、底板及三角区的层间界面,底板热影响区则采用Tsai-Wu准则判定材料在不同破坏模式下的失效,实现了考虑激光辐照后底板损伤下复合材料T接头在拉伸载荷下的损伤失效行为的准确预测。通过对比无激光下T接头拉伸失效,底板热影响区复合材料失效是导致T接头载荷-位移曲线初始斜率降低的重要原因。(3)建立了考虑激光辐照后高温下(200℃)复合材料T型接头的静态拉伸失效行为模拟的仿真方法,并通过200℃高温拉伸试验验证了该模型的准确性及可靠性。模型综合考虑了高温下材料热物理性能降低以及热应力的影响,基于内聚力模型模拟了复合材料T接头三角区周围界面的分层失效,热影响区则采用Tsai-Wu准则判定材料基于不同模式下的失效,实现了考虑激光辐照后底板损伤下复合材料T接头高温拉伸载荷下损伤失效行为的准确预测。材料热物理性能降低以及热应力的存在是导致高温下T接头失效载荷降低的重要原因;通过对比无激光下T接头常温、高温拉伸失效,激光辐照后底板热影响区存在更大的失效区域,导致载荷-位移曲线初始斜率进一步降低,揭示了T接头激光辐照后高温下的拉伸失效机理,为复合材料T接头及加筋壁板类结构的工程设计及激光毁伤后的二次服役提供了试验基础及数值方法支撑。
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