【摘 要】
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纤维增强复合材料以其优良的力学性能,重量轻、可设计性强等优点,已经成为使用量最广泛的材料之一,在航空航天领域有着大量的应用,如航天飞机的舱门、民航客机机体结构以及发动机风扇机匣等部件。碳纤维2.5D编织复合材料作为三维机织复合材料的一种特殊形式,很好的克服了层合板层间性能差这一缺陷,使复合材料的抗冲击性能得到了提升。本文通过试验和多尺度仿真建模相结合的方法,研究2.5D编织复合材料弹道冲击性能及影
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纤维增强复合材料以其优良的力学性能,重量轻、可设计性强等优点,已经成为使用量最广泛的材料之一,在航空航天领域有着大量的应用,如航天飞机的舱门、民航客机机体结构以及发动机风扇机匣等部件。碳纤维2.5D编织复合材料作为三维机织复合材料的一种特殊形式,很好的克服了层合板层间性能差这一缺陷,使复合材料的抗冲击性能得到了提升。本文通过试验和多尺度仿真建模相结合的方法,研究2.5D编织复合材料弹道冲击性能及影响因素。首先,使用空气炮对碳纤维2.5D编织复合材料平板进行弹道冲击试验,通过弹道极限、靶板吸能总量等指标对碳纤维2.5D编织复合材料弹道冲击性能进行评估。通过超声C扫描和工业CT扫描等手段识别碳纤维2.5D编织复合材料的损伤形貌和失效模式,唯象分析碳纤维2.5D编织复合材料弹道冲击特性和吸能机理。研究表明,厚度为5mm的碳纤维2.5D编织复合材料的弹道极限速度约为130-140m/s,靶板发生侵彻时的主要失效模式为剪切充塞损伤,弹孔周围有少量纤维拔出。碳纤维2.5D编织复合材料有较好的层间性能,靶板几乎不发生分层。其次,针对树脂转移模塑(Resin Transfer Molding,RTM)成型的碳纤维2.5D编织复合材料平板,进行准静态拉伸、剪切和压缩试验,获得材料的基础力学性能。基于平均场均质化模型,建立细观单胞有限元模型计算碳纤维2.5D编织材料基础力学性能参数。将细观模型计算结果与试验结果进行对比,验证细观单胞有限元模型的有效性。使用ABAQUS商用有限元软件建立碳纤维2.5D编织复合材料弹道冲击试验仿真分析模型,靶板模型采用三维实体单元,边界条件为四端固支。弹体采用刚体进行定义,弹体垂直入射靶板。建立基于三维Hashin失效准则的含损伤的三维复合材料弹性本构模型。使用Fortune编译器编写VUMAT用户自定义子程序,使用细观单胞有限元模型计算材料参数作为输入。研究弹体倾斜角度和弹体形状对碳纤维2.5D编织复合材料弹道冲击结果的影响。结果表明,弹体倾斜角度小于45°时,弹体的弹道极限和靶板的吸能总量随倾斜角度的增加明显增大,弹体倾斜角度大于45°时,则不发生明显变化。叶片型弹体截面的长宽比远大于1,材料损伤以剪切损伤为主,弹道极限速度最小。
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