【摘 要】
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热塑性复合材料具有高韧性、易加工、高比强度和可回收性等优势,在飞行器的承力结构设计中得到了应用。作为一种具有高温稳定性、耐腐蚀等优良综合性能的热塑性复合材料基体,聚醚醚酮（PEEK）近年来成为飞行器承力结构设计的研究热点。然而,传统PEEK材料性能仍无法满足日益精细化发展的高端装备结构设计需求,亟需开展基于PEEK的复合材料改性及结构优化设计来提升其服役性能,为飞行器等高端装备的材料体系选型及结构
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热塑性复合材料具有高韧性、易加工、高比强度和可回收性等优势,在飞行器的承力结构设计中得到了应用。作为一种具有高温稳定性、耐腐蚀等优良综合性能的热塑性复合材料基体,聚醚醚酮（PEEK）近年来成为飞行器承力结构设计的研究热点。然而,传统PEEK材料性能仍无法满足日益精细化发展的高端装备结构设计需求,亟需开展基于PEEK的复合材料改性及结构优化设计来提升其服役性能,为飞行器等高端装备的材料体系选型及结构设计提供有力支撑。针对飞行器中大量存在的仪器支架的高强度和减振设计需求,本文开展石墨烯（GNP）、氨基化碳纳米管（CNT-NH2）和短切碳纤维（SCF）等增强材料体系设计,通过力学性能和阻尼性能试验验证材料改性结果,并优化压塑工艺流程,制备了一种典型复合材料支架。具体研究内容如下:首先,通过热压工艺制备了纳米材料增强PEEK复合材料,开展不同种类和含量的纳米材料对PEEK材料的力学性能和动态力学性能影响规律的研究。结果表明,GNP和CNT-NH2都能增强PEEK的刚度和能量耗散能力,但会减弱PEEK的强度和韧性;与5wt%GNP/PEEK复合材料相比,相同纳米含量的GNP/CNT-NH2/PEEK复合材料具有更综合的力学性能,且CNT-NH2含量越高,其强度和韧性越高。继而,通过压塑成型工艺制备了同时包含短切碳纤维（SCF）和纳米增强项（CNT-NH2）的PEEK复合材料,开展不同短切碳纤维含量对PEEK复合材料的力学性能和动态力学性能影响规律的研究。结果表明,在宏观尺度上,SCF可以大幅度增强PEEK复合材料的强度和模量,并在全温度域上提升损耗模量和储能模量;在微观尺度上,CNT-NH2纳米材料可进一步提升SCF/PEEK复合材料的力学性能。最后,将设计得到的PEEK复合材料应用于典型支架结构的优化设计与制备。通过各向异性Helmholtz密度过滤的蒙皮加筋结构拓扑优化方法,对支架开展筋条布局优化设计,获得支架最优加筋构型;借助遗传算法,使用商业有限元软件对支架结构的详细筋条布局开展优化设计;基于PEEK复合材料进行典型支架结构制备。结果表明:新构型支架在减重23.07%的同时,提升了各阶固有频率（基频提升24.1%）和刚度（X、Y、Z方向分别提升44.43%、51.12%和75.46%）,实现了典型支架结构的轻量化设计与制备。本文通过材料体系设计与结构优化方法,开展了一种典型支架的材料-结构-制造一体化设计与制备,有力地支撑了高端装备的材料体系选型及结构设计。
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