免费论文：树脂基复合材料结构冲击损伤与修补优化机理研究

树脂基复合材料具有高比强度，高比刚度，结构可设计性强，良好的抗腐蚀、疲劳性能，尺寸稳定性和易于整体成型等诸多优异特性。目前复合材料在飞机、导弹、火箭和人造卫星等大型复杂结构上大量应用，已成为航空航天领域主承力结构的主要材料之一。然而，由于复合材料结构在制造和使用过程中不可避免地产生各种缺陷与损伤，将大大降低结构的剩余强度，直接导致了结构的安全性和可靠性降低。本文在树脂基复合材料结构缺陷与损伤特征分析的基础上，研究其热揭层分析方法，针对壳体结构轴向高能低速冲击损伤开展其损伤行为与破坏机理研究。在损伤特征与机理研究的基础上开展复合材料挖补修复技术研究，揭示挖补结构力学性能恢复能力和损伤破坏机理，并给出挖补工艺参数优化分析。本文通过树脂基复合材料结构缺陷与损伤特征研究，形成了树脂基复合材料层合板典型缺陷检测特征及其表征方法，并研究了振动断裂及其损伤机理。在缺陷损伤特征研究的基础上，针对中高温树脂（双马树脂）体系复合材料开展了热揭层试验技术研究。提出了双马树脂基复合材料的最佳热解工艺参数为470℃保温1个小时。另外，标记溶液配比在9%～11%之间效果较好，标记溶液注射过程中应注意内部气压的平衡。针对复合材料壳体结构高能低速轴向冲击，本文通过三维有限元（ANSYS）建模和非线性动力学（LS-DYNA）分析，研究了复合材料未带缺口、带缺口和加筋壳体结构的冲击响应及其结构重量、冲击速度的影响规律，并结合冲击损伤形貌特征，研究了复合材料壳体高能低速冲击损伤机制。冲击接触时间由结构重量决定，结构重量越大，接触时间越长，而冲击速度对接触时间的影响不大。冲击过程中，壳体内能随冲击进程逐渐增大，铝合金壳体主要通过塑性变形吸收冲击能量，而复合材料只能在极短时间内通过纤维断裂、基体开裂等损伤吸收能量。通过复合材料挖补结构有限元分析，本文研究了压缩和拉伸载荷条件下损伤过程及其工艺参数影响规律。拉伸载荷条件下，胶层失效应力随挖孔角增大而减小，而结构失效应力则为：当挖孔角度小于6°时，随挖孔角增大而减小；当挖孔角大于6°时，随挖孔角的增大而增大。压缩载荷作用下，挖孔角为4°和6°时，胶层与结构同时破坏； 8°和10°时，胶层破坏后，母板继续承载。挖孔角度小于8°时，胶层和结构失效应力均随挖孔角增大而减小，大于8°时；胶层失效应力随挖孔角增大而减小，结构破坏应力随挖孔角增大而增大。采用预浸料补片和预固化补片，对不同挖孔角度（6°与10°）、底孔直径（10mm与20mm）和铺层结构（[±45/90/02/±45/0]S与[±45/90/03/(±45)2/0]S）下T300/NY9200G和T700SC/NY9200GA两种材料体系的复合材料结构进行挖补修复，并对挖补结构的拉伸和压缩性能进行了测试。研究结果表明，采用10mm底孔直径、6°挖孔角和预浸料修补工艺可以获得较理想的挖补修复效果。试验和计算预报结果一致。通过宏微观断裂特征观察，结合损伤过程计算分析，本文研究了复合材料层合板挖补结构拉伸/压缩破坏特征与失效机理。拉伸载荷作用下，挖补结构修补区域的主要失效模式是内聚破坏，采用预固化修补工艺修补试样伴有界面失效，而采用预浸料工艺时为内聚破坏、界面破坏和母板破坏混合失效模式。初始裂纹萌生于与母板0°铺层的胶接区域，微裂纹沿胶接界面扩展，形成界面的破坏和胶层断裂。当胶层损伤约50%时，载荷重新分配，主裂纹沿母板最窄处向自由边扩展，最终结构破坏。压缩载荷作用下，采用预浸料修补工艺挖补结构的裂纹沿补片与母板中心横向扩展，修补区失效模式为内聚破坏、母板与补片破坏混合失效模式。而采用预固化工艺挖补结构裂纹沿胶层扩展，最后在补片上下沿间的母板横向破坏，失效模式为内聚破坏。母板0°铺层发生微屈曲后，胶层内聚破坏，胶层损伤裂纹萌生和扩展，裂纹萌生于与0°铺层临近区域。胶层与结构几近同时失效，沿补片母板中央横向断裂。

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