织物增强复材管件横向冲击损伤及残余性能研究

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碳纤维增强复合材料管件具有优良的能量吸收特性,被越来越多地应用于吸能构件中。然而,复合材料管件在服役过程中容易受到横向低速冲击事件的影响。横向低速冲击造成的肉眼不可见损伤容易在重复冲击中迅速积累,导致复合材料管件刚度和强度显著降低,最终可能严重威胁结构安全。因此,有必要研究复材管件的横向冲击损伤与残余性能。本文首先探讨了碳纤维编织复合材料管件的试样制备及实验方法。其次,讨论了碳纤维编织管件的本构模型及相关材料参数获取方式,建立了单次和重复冲击后压缩有限元模型。采用实验与仿真相结合的方法研究了不同壁厚和不同冲击能量下双轴编织管件的单次冲击损伤,评估了冲击能量和冲击位置对其重复冲击响应的影响。随后,提出了双轴/单向混合编织结构,分析了混合效应对编织管件单次冲击抵抗力影响。最后,进一步探索了上述编织管件的轴向压缩性能和冲后残余耐撞性。主要研究内容如下:(1)采用实验与仿真相结合的方法研究了双轴编织管件的横向单次冲击损伤和残余轴向压缩性能。编织管件的弯曲刚度随管壁厚度的增加而增加,抑制了5.6 J冲击能量下管件的结构变形,因此产生的投影分层面积显著减小。不同于2层薄管,3和4层厚管的较小投影分层面积能够有效阻止管壁在轴向压缩中的屈曲变形。对比完整管件的渐进折叠失效模式,预冲击管,特别是两层管,失效模式的转变降低了每层复合材料的能量吸收能力。(2)采用实验与仿真相结合的方法研究了双轴编织管件的横向重复冲击损伤和残余轴向压缩性能。2层编织管件承受不同能量单次冲击时会产生明显的结构变形,进而导致了分层主导的损伤行为。冲击力学响应曲线的初始斜率和峰值分别与管件管顶凹陷和两侧凸出结构变形相关。管件不同冲击位置的重复冲击结构变形和力学响应对单次冲击产生的分层敏感。管件受到2.0 J能量重复冲击后的轴向压缩行为与残余耐撞性由冲击引发的分层面积和分层位置主导。失效模式的转变造成了重复预冲击管件相对于完整和单次预冲击管件残余耐撞性的明显降低。(3)采用实验与仿真相结合的方法研究了双轴/单向混合编织管件的横向冲击损伤和残余轴向压缩性能。对3层纯双轴和纯单向编织管(BBB和UUU)以及双轴或单向编织的不同表面和内层材料的混合管(BUB和UBU)进行了横向冲击、轴向压缩及冲后压缩实验。结果表明,编织管件的冲击响应与其结构变形抵抗力有关,而结构变形抵抗力由不同叠层顺序的增强层性能决定。冲击能量越高,混合效应的优势越明显。当冲击能量为15.4 J时,混合管BUB在结构变形较小的情况下表现出最强的抗冲击性能。增强层的裂纹扩展特性影响编织管的轴向压缩损伤行为,导致其不同的能量吸收性能。相对于纯双轴编织管,由单向层引入引发的增强层撕裂行为导致混合管的轴向压缩吸能及5.6 J冲后压缩残余吸能均明显提高。上述研究结果为碳纤维织物增强复合材料管件在结构元件中的横向冲击损伤容限设计提供了理论依据与相关指导。
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