【摘 要】
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与传统单一组分材料相比,T800碳纤维增强复合材料（CFRP）具有比强度高、比模量大等优越的力学性能,在保证结构强度的同时,还可以大大减轻结构的重量,因此被广泛应用于航空航天、军工等重要工业领域。然而,在这些以复合材料为主要结构的飞行器服役过程中,易受到冰雹、鸟、子弹等外物冲击,严重威胁飞行器的正常运行。因此,分析复合材料层合板在高速冲击下的动态响应和损伤是飞行器结构设计过程中的重要一环,具有重要
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与传统单一组分材料相比,T800碳纤维增强复合材料（CFRP）具有比强度高、比模量大等优越的力学性能,在保证结构强度的同时,还可以大大减轻结构的重量,因此被广泛应用于航空航天、军工等重要工业领域。然而,在这些以复合材料为主要结构的飞行器服役过程中,易受到冰雹、鸟、子弹等外物冲击,严重威胁飞行器的正常运行。因此,分析复合材料层合板在高速冲击下的动态响应和损伤是飞行器结构设计过程中的重要一环,具有重要的工程实践意义。本文采用T800/3900复合材料层合板为研究对象,开展冰球和钨珠斜冲击CFRP层合板的实验和仿真分析,旨在揭示冲击角度、冲击能量对CFRP层合板动态响应的影响,主要研究内容和结论如下:（1）使用空气炮和空气枪系统分别开展了冰球和钨珠以不同速度冲击CFRP层合板的实验研究。获得了冲击后层合板的宏观损伤形貌,利用CT检查扫描了钨珠冲击后层合板的内部损伤,并利用钨珠的发射速度和剩余速度评估了层合板的能量吸收情况,初步分析了层合板在两种不同弹体冲击下的损伤规律。研究表明:钨珠冲击下,层合板发生穿孔损伤,且损伤主要集中在弹孔附近;冰球冲击下,层合板整个板面都会发生较大的弯曲变形,损伤也遍布整个板面。（2）基于有限元软件ABAQUS开展冰球和钨珠斜冲击CFRP层合板的数值仿真模拟。使用光滑粒子流体动力学法（SPH）完成冰球的建模,较好地描述了冰球撞击及其破碎后的力学行为;将由三维Hashin失效准则和刚度退化方式构成的描述复合材料单层板力学本构的连续损伤模型通过Fortran语言编入VUMAT子程序;最后引入零厚度粘结单元来预测层合板的分层损伤,其中粘结单元的本构采用内聚力模型,选取二次名义应力准则作为损伤起始准则、B-K准则模拟其损伤演化。最终完成了有限元模型的建立,并借助实验结果验证了两组冲击模型的有效性和正确性。（3）为获得不同冲击体作用下CFRP层合板的损伤差异,借助上述有限元模型开展了不同冲击角度、不同冲击能量下,钨珠和冰球冲击CFRP层合板的数值仿真。研究发现:（1）冲击角度一定时,随着冲击能量的增加,钨珠冲击下的CFRP层合板面内损伤和分层损伤逐渐减小,但变化幅度不大;而冰球冲击下的CFRP层合板面内损伤和分层损伤显著增大,但造成损伤发生时的能量阈值较钨珠冲击时更大。（2）冲击能量一定且冲击角度为30°时,钨珠的穿透力最强,层合板能量吸收率最低,此时层合板的面内损伤和分层损伤面积都是最小,45°和60°斜冲击时CFRP层合板损伤程度均明显高于正冲击,且冲击角度为60°时造成的损伤最严重;冲击体为冰球时,随着冲击角度的增大,层合板冲击点处最大位移逐渐减小,层合板的损伤面积和分层损伤程度都逐渐减小,损伤最严重的情况发生在正冲击时。
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