● 摘要
飞行器结构耐撞性是指在发生可生还坠毁或撞击情况下飞行器所具有的保护乘员安全的一种能力。随着人们对航空安全的要求越来越高，飞行器结构的耐撞性能被广泛地研究。由于复合材料具有比强度高、比刚度大、吸能能力强及可设计性等优点，目前已在国防工业和民用工业，特别是航空航天领域得到了越来越多的应用。复合材料结构作为缓冲吸能结构，已被广泛的应用于飞行器耐撞性设计中。研究复合材料结构的吸能特性，对提高飞行器抗坠毁能力具有重要意义。本文对复合材料结构的耐撞性进行了试验研究与数值模拟。系统开展了复合材料圆管、梁结构以及组件结构轴向冲击与准静态压溃试验，研究了缝合夹层结构横向冲击吸能问题，建立了适用于二维壳单元及三维实体单元的复合材料结构高精度数值仿真失效准则及损伤演化体系。本文主要的研究工作可归纳如下：1．系统开展了复合材料圆管、波纹梁、梯形梁以及组件结构耐撞性试验研究。探讨不同材料组分、纤维铺设方式、几何构型以及加载方式对复合材料结构破坏形貌的影响，分析不同破坏形貌损伤及能量吸收机理，获得结构比吸能SEA(Specific Energy Absorption)、平均载荷及峰值载荷等试验参数，为复合材料结构的耐撞性设计提供参考依据，也为失效准则及损伤演化体系的确立提供了理论依据。2．建立了复合材料耐撞性结构高精度数值仿真失效准则及损伤演化体系。对于复合材料层内损伤，建立了基于连续介质损伤力学CDM (Continuum Damage Mechanics)理论的二维应变失效准则，考虑了剪切效应对结构轴向冲击损伤的影响，并区分单轴向及双轴向复合材料体系。根据试验破坏形貌，在数值模拟中将复合材料耐撞性结构分为脆性纤维增强韧性基体复合材料、脆性纤维增强脆性基体复合材料及韧性纤维增强脆性基体复合材料，通过指数型损伤变量描述韧性材料的刚度退化，采用突降型损伤变量描述脆性材料的刚度退化。对于复合材料层间损伤，通过粘聚界面模型CZM (Cohesive Zone Model)模拟复合材料耐撞性结构层间分层，采用二次应变准则判定界面的起始失效，根据BK（Benzeggagh-Kenane）能量准则计算损伤变量。3．开发了基于不同铺层及材料属性的复合材料耐撞性结构失效准则及损伤演化子程序。根据不同的研究对象，将复合材料层内损伤失效判据及损伤演化模型通过材料用户子程序VUMAT编入ABAQUS/Explicit显式分析模块，分别对单轴向脆性纤维增强脆性基体复合材料、双轴向脆性纤维增强脆性基体复合材料、双轴向韧性纤维增强脆性基体复合材料以及混杂复合材料进行数值模拟；通过数值分析，揭示了复合材料耐撞性结构损伤破坏机理，研究了不同结构形式波纹梁对复合材料结构组件吸能的影响；并对比了层内损伤子程序及ABAQUS基于应力损伤准则在复合材料结构耐撞性数值模拟中的区别，结果表明，本文子程序数值计算结果精度更高，并且可以根据研究对象铺层形式及材料属性建立相应的损伤子程序，具有更广的适用范围。4．考虑了沿厚度方向剪切效应对复合材料结构横向冲击损伤的影响，建立了基于连续介质损伤力学的复合材料三维应变失效准则，对缝合泡沫夹芯复合材料耐撞性进行数值分析与试验研究；冲击试验研究了不同缝纫密度及冲击能量对结构损伤吸能的影响，通过能量吸收率EAR(Energy Absorbed Rate)评价夹层结构吸能能力。提出了研究缝合泡沫夹芯复合材料冲击后剩余强度的多尺度分析方法，对缝合泡沫夹芯复合材料冲击后压缩进行数值模拟与试验分析；缝合泡沫夹芯复合材料冲击后压缩试验研究了冲击能量及缝纫密度与夹层结构剩余强度的影响，探讨了剩余强度与冲击能量及缝纫密度之间的线性关系。数值模拟与试验结果吻合较好，验证了缝合泡沫夹芯复合材料数值模拟方法的正确性。