碳纤维增强树脂基复合材料的抗鸟撞性能研究

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纤维增强复合材料因其比强度高、比模量大等优点被广泛运用于飞机设计领域,但飞机在服役过程中可能与飞鸟发生撞击,冲击产生的巨大能量会导致复合材料的结构损伤、分层破坏甚至完全失效而造成严重的灾难。复合材料在宏观组成上并不均匀,损伤机理也较为复杂,其抗冲击性能与材料种类、铺层角度、铺层数量等因素相关。与鸟撞试验相比,鸟撞数值模拟在兼顾精度的同时可以大大缩短设计周期和降低成本,还可以模拟损伤过程,探究复合材料冲击损伤机理。本文针对复合材料鸟撞问题,建立了鸟撞有限元模型,对鸟体模拟方法与模型有效性、复合材料损伤本构和碳纤维增强树脂基复合材料平板的抗鸟撞性能三个方面进行了研究。建立鸟撞模型并验证其有效性是所有工作的基础,本研究根据以往研究中鸟撞试验的实际参数建立鸟撞钢板有限元模型并将模拟结果与试验结果进行对比验证,证明了相关鸟体模型的有效性。在此基础上研究了不同鸟体模型(实体鸟模型与SPH鸟模型)的差异以及不同几何形状鸟体的力学响应特点,分析了模拟结果对不同鸟体本构中材料参数的敏感性。为了准确模拟复合材料的损伤失效,采用考虑塑性和率相关的Ladeveze损伤本构模拟碳纤维增强树脂基复合材料。该本构能够考虑纤维方向拉伸与压缩断裂、基体拉伸微裂纹和纤维基体界面脱粘四种损伤模式。利用相关计算机语言(Fortran)编写了用户材料子程序,采用单个单元进行数值模拟并与试验结果对比验证了用户材料子程序的可靠性和准确性。使用经过验证的鸟体模型与复合材料子程序进行鸟撞数值模拟研究。比较了不同铺层复合材料平板的抗冲击性能,分析了不同角度鸟撞时复合材料平板的损伤与破坏,并对复合材料平板抗鸟撞性能的主控力学参数进行了探究。
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