（工程力学专业论文）缝纫泡沫夹层复合材料力学性能研究.pdf

中文摘要摘要缝纫泡沫夹层复合材料是一种新型轻质夹层结构材料，该材料具有重量轻、强度刚度高、抗冲击性能好、抗进水性能好、制造成本低等优点。是飞机结构中对别度要求较高的操纵面、机翼和机身蒙皮结构用较理想的材料。缝线的引入使得缝纫泡沫夹层复合材料的结构既不同于普通复合材料层压板，也不同于泡沫夹层复合材料。对其力学性能的认识需要进行大规模试验，其损伤破坏机理与刚度强度分析模型也处于研究摸索阶段。为此，本文对缝纫泡沫夹层复合材料的力学性能进行了研究。本文主要研究工作包括：1 利用数学均匀化理论，讨论了缝纫层压板基本弹性性能预测的理论和方法。建立了计算缝纫复合材料层压板的等效弹性模量的有限元分析模型，初步解决了缝纫层压板刚度性能预测问题。2 将等效夹杂理论应用于缝纫泡沫芯材刚度性能预测，利用m o r i t a n a k a 方法的基本公式，建立了近似计算模型，得到了缝纫泡沫芯材的等效弹性模量的解析解答。初步解决了缝纫泡沫芯材刚度性能预测的问题3 运用前述预测理论，设计了一套缝纫泡沫夹层复合材料刚度性能预测软件。利用此软件，分析预测了某种缝纫泡沫夹层复合材料在缝纫参数和泡沫芯材性能变化情况下的刚度性能。为缝纫泡沫夹层复合材料的设计提供了理论依据。4 通过常温湿热环境下缝纫复合材料层压板以及缝纫泡沫夹层复合材料力学性能试验，获得了缝纫层压板和缝纫泡沫夹层结构的部分力学性能参数。5 结合试验观察的结果，初步探讨了缝纫层压板和缝纫泡沫夹层结构的损伤破坏机理，为建立缝纫泡沫夹层结构的强度预测理论提供了分析和试验基础。一a 】一中文摘要关键词；复合材料夹层板，泡沫芯，缝纫，刚度预测，破坏机理一a 2 一英文摘要as t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t i t c h i n gf o a m c o r es a n d w i c ha b s t r a c ts t i t c h i n gf o a m - c o r es a n d w i c hi san e wk i n d so fs a n d w i c hc o n s t r u c t i o n i ti sl i g h ti nw e i g h t ，l o w c o s t i th a sh i g h e rs t r e n g t ha n ds t i f f n e s sw i t hg o o di m p a c tr e s i s t a n c ea n dw a t e rr e s i s t a n c e t h e s ea d v a n t a g em a k ei te x c e l l e n tm a t e r i a l sf o rc o n t r o ls u r f a c e ，w i n ga n ds k i no f a i r p l a n e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t i t c h i n gf o a m - c o r es a n d w i c h ，d u et os t i t c h s ，i sq u i t ed i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a ll a m i n a t e sa n df o a m c o r es a n d w i c h t h e r e f o r ，m a n yt e s t sn e e dt ob ec o n d u c t e d i t sf a i l u r em e c h a n i s ma n ds t r e n t ht h e o r ys t i l ln o tc l e a r b a s e do nt h er e a s o n s ，s t u d yo nm e c h a n i c a lb e h a v i o r so fs t i t c h i n gf o a m c o r es a n d w i c hw a sc a r r i e do u t t h em a i nw o r ka sf o l l o w i n g ：1 b a s e do nt h eh o m o g e n i z a t i o nm e t h o d ，t h eb a s i ce l a s t i cp r o p e r t i e sp r e d i c t i o nt h e o r ya n dm e t h o df o rs t i t c h e dc o m p o s i t el a m i n a t ew e r ed i s c u s s e d af i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e dt op r e d i c tt h es t i f f n e s so f s t i t c h e dc o m p o s i t el a m i n a t e s 2 ac o m p u t i n gm o d e lw a se s t a b i l i s h e du s i n ge q u i v a l e n ti n c l u s i o nt h e o r e t i c st op r e d i ct h es t i f f n e s so f s t i t c h e df o a m - c o r e b a s i ca n a l y t i cs o l u t i o nw a sa c h i e v e du s i n gm o r i t a n a k am e t h o d 3 s o f t w a r ew a sd e v e l o p e dt op r e d i c tt h ef o a m c o r es a n d w i c h ss t i f f n e s sw i t hd i f f e r e n ts t i t c h i n gp a r a m e t e ro rp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r 4 t h eb a s i ce x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt oe v a l u a t em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t i t c h e dc o m p o s i t el a m i n a t e sa n ds t i t c h i n gf o a m - c o r es a n d w i c h ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ep r e s e n t e d a 3 英文摘要5 t h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef a i l u r eo fs t i t c h e dc o m p o s i t el a m i n a t e sa n ds t i t c h i n gf o a m c o r es a n d w i c hw e r ef u r t h e rs t u d i e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n di t sm e c h a n i s mi se x p l r o e d k e yw o r d s ：c o m p o s i t es a n d w i c h ，f o a m c o r e ，s t i t c h ，s t i f f n e s sp r e d i c t ，f a i l u r em e c h a n i s ma 4 一第一章引言1 1 课题目的和意义第一章引言缝纫泡沫夹层复合材料是种新型轻质夹层结构材料，它是将若干碳纤维多向经编织物铺叠成的面板和闭孔硬质泡沫芯材用高强线缝成央层结构，然后采用树脂转移模压( r t m ) 1 - 2 】、树脂膜渗透( r f i ) 【3 】或真空辅助树脂转移模压( v a r t m ) 【4 】工艺充填树脂并固化，制成的夹层板或央层结构。该材料具有重量轻、强度刚度高、抗冲击性能好、抗进水性能好、制造成本低等优点。是飞机结构中对嗣度要求较高的操纵面、机翼和机身蒙皮结构用的较理想材料【5 1 。由于缝纫泡沫夹层复合材料中缝线穿过了面板和泡沫芯材，对泡沫夹层复合材料进行了整体的横向加强，因此其强度和刚度都要比未加缝纫的泡沫夹层复合材料优越，可以和蜂窝夹层板相当，有些性能，如抗进水性能还要优于蜂窝夹层板【们。另外，缝纫泡沫夹层复合材料具有可设计性，可以通过改变缝纫参数、缝线性能以及芯材性能对其剪切刚度进行设计【5 l 。缝纫泡沫夹层复合材料的结构既不同于普通复合材料层压板，也不同于泡沫夹层复合材料，其分析模型与方法具有特殊性。本研究的目的是通过理论分析和实验研究，认识缝纫泡沫夹层复合衬料的力学特性以及损伤和破坏的机理，提出刚度分析模型和分析方法，探讨缝纫参数、缝线性能以及芯材性能对缝纫泡沫夹层复合材料的剪切性能的影响和剪切性能设计方法。为这种新的央层结构材料的设计以及在飞机结构上的应用，提供理论支持、分析计算方法和实验数据。第一章引言1 ，2国际国内研究状况和进展美国的“先进复合材料计划( a c t ) 1 6 1 ”和以后的“先进轻型飞机机身结构计划( a l a f s ) 【7 j 将缝纫复合材料层压板技术应用于复合材料的飞机机翼结构上 8 1 。对缝纫复合材料层压板力学分析常采用修正的层压板理论，计算过程中有两种处理方法。第一种认为缝线对面内性能不产生影响，只对厚度方向模量产生影响；第二种完全采用经典层合板理论，把缝合对层压板刚度的影响仅仅归结为单向层刚度的改变，把缝纫复合材料看成一种新的材料，通过试验测量单向板性能，从而推出层压板刚度性能。此方法可以简化为折减法，即把未缝纫板性能乘以折减系数，得至h 缝纫板性能。a c t 计划的研究结果拉伸模量下降小于5 ，强度下降小于8 1 3 - 1 4 ；6 2 3 所的试验表明，除泊松比外，其余模量折减系数都可以取9 0 左右l 。桂良进等人简化纤维与缝线相交的几何形态，按照平均刚度法建立了缝纫单层板有效弹性常数的分析模型 】引。还有研究显示，复合材料缝合结构的破坏与纤维束开裂、脱胶与富树脂区微裂纹产生、扩展有关。对缝纫复合材料层压板的有限元分析，国外主要采用二维层压板有限元分析，然后通过试验比较得到的修正系数进行修正【1 7 ；国内有人采用三维有限元模型进行分析，将整个层压板近似看成均匀各向异性，得到其等效刚度阵带入有限元程序进行分析，直接可以得到缝纫复合材料的三维应力分布【18 1 。复合材料夹层结构有较高的抗弯刚度，较小的结构重量，因此被广泛用于对抗弯刚度要求高的结构部件中。复合材料夹层结构的芯材有铝蜂窝、n o m e x纸质蜂窝和硬质泡沫。目前使用较多的是n o m e x 纸质蜂窝，这是因为n o m e x蜂窝的剪切强度和剪切刚度比较高，相对密度比较低，与碳纤维复合材料面板构成的复合材料蜂窝夹层结构有高的抗弯刚度和最小的结构重量的缘故。但是复合材料蜂窝夹层结构制造工艺复杂，而且制造时容易在面板表面蜂窝芯孔处出现凹坑，即所谓的“电报效应”，严重时会影响到面板的光滑平整性。另外，复合材料蜂窝夹层结构面板一般较薄受冲击后容易产生微裂纹，导致蜂窝芯进水并不易排出，这不但会增加结构重量，还会造成胶层吸湿降解，使面板与芯子脱胶，一2 一第一章引言脱胶的复合材料蜂窝夹层结构的修理非常困难【4 ，”】。闭孑l 硬质泡沫作芯材的复合材料夹层板可以避免蜂窝夹层板的上述主要缺点，且在受热情况下具有很好的尺寸稳定性，还具有良好的耐化学腐蚀性能，因而被用作飞机的雷达罩、新干线列车车厢壁、r a h 6 6 ( 科曼奇) 直升机的旋翼桨叶蒙皮维型的内部支承件、l 1 0 1 1飞机的副翼蒙皮以及“旅行者”号大翼展长航程飞机的机翼等 2 0 - 2 ”。但是闭孔硬质泡沫作芯材的主要缺点是剪切刚度和强度比n o m e x 纸质蜂窝芯材低，因此闭孔硬质泡沫作芯材的复合材料夹层板的拉伸、压缩、弯曲以及剪切强度都要低于相同芯材密度的复合材料n o m e x 蜂窝夹层板，从而限制了泡沫芯材复合材料夹层板在主结构上的应用。2 0 0 1 年美国u t a h 大学的l a r r ye s t a n l e y 等人在n a s a 的支持下，提出了缝纫泡沫夹层复合材料的新概念【4 l 。用k e v l a r 缝线将碳纤维复合材料面板和闭孔硬质泡沫芯材缝在一起，采用v a r t m 工艺将低温固化树脂注入并固化，制成缝纫泡沫夹层复合材料。这是一种极具应用前景的飞机翼面结构和机身结构用的低成本夹层结构材料。从l a r r ye s t a n l e y 等人公布的实验数据看，与未缝纫的泡沫夹层复合材料相比，缝纫泡沫夹层复合材料的弯曲破坏载荷提高了7 4 ，平压破坏载荷提高了1 5 5 9 ，侧压破坏载荷提高了5 8 ，冲击后压缩强度提高了6 3 ：芯子剪切破坏载荷提高了4 6 3 。这些数据表明，缝纫对提高泡沫夹层复合材料的强度尤其是剪切强度的效果是十分明显的。n a s a 兰利研究中心的r a j u 【1 7 】用有限元计算了缝与未缝纫的泡沫夹层复合材料的面板和芯子之间的脱胶能量释放率，发现缝纫泡沫夹层复台材料的缝线对脱胶裂纹扩展有止裂作用。这从另一个角度说明缝纫能提高泡沫夹层复合材料的损伤阻抗和损伤容限。但是还没有看到关于缝纫泡沫夹层复合材料结构的刚度分析模型和方法的研究报道。已有的试验和分析结果表明，这种材料的细观结构有特殊性，其变形特点和破坏模式不同于未缝泡沫夹层复合材料，更不同于蜂窝夹层复合材料。泡沫芯材是一种多孔材料，缝纫后具有非均匀性，和复合材料面板缝合成夹层扳后，其损伤和破坏机理十分复杂。对于这类新型材料，已有的蜂窝芯材和复合材料层压板理论已不能满足需要，必须深入研究其破坏机理，建立新的强度和刚度的分析第一荜引言模型和分析方法。因此，基于实验结果和损伤破坏机理，建立半解析的刚度分斩模型和方法，建立多层次的破坏判据，模拟缝纫泡沫夹层复台材料的损伤演化规律。是本研究的主攻关键和独到之处。1 3 论文各部分的主要内容本论文着重对缝纫t 3 0 0 q y 9 5 1 2 层压板+ r o h a c e l l 7 1 1 g 泡沫芯材以v a r t m 工艺制成的缝纫泡沫夹层复合材料进行实验和理论研究。第二章阐述缝纫t 3 0 0 q y 9 5 1 2 层压板弹性性能预测方法，主要包括：1 。基于数学均匀化模型的缝纫层压板性能理论分析原理；2 缝纫层压板弹性性能预测。第三章阐述缝纫泡沫芯材剐度性能研究结果，主要包括：1 基于等效夹杂原理的缝纫泡沫夹层复合材料分析数学模型；2 基于等效夹杂原理的m o r i t a n a k a 方法理论推导；3 缝纫泡沫夹层复合材料的冈0 度性能的预测公式推导：4 对缝纫泡沫夹芯运用等效夹杂原理预测刚度性能的运用。第四章介绍开发的缝纫泡沫夹层结构刚度预测软件，主要包括：】，软件流程；2 软件使用说明；3 。利用软件分析缝纫参数和材料参数变化时整体刚度性能的变化。第五章介绍本研究进行的试验，主要包括：1 缝纫层压板常温力学性能试；2 缝纫层压板湿热力学性能试验；3 缝纫泡沫夹层结构力学性能试验。第六章介绍缝纫泡沫夹层结构破坏机理研究，主要包括：1 缝纫层压板试件断口分析与破坏机理：2 泡沫夹层结构试验观测结果及分析。一4 一第二章缝纫层压板弹性性能预测第二章缝纫层压板弹性性能预测缝纫复合材料层压板微观结构和制作工艺与传统预浸带固化层压板结构大不相同，因而用已有的经典方法分析其基本特性不能完全适用，需要一种新的既能反映其微观非均匀性又能体现其宏观结构均匀周期变化特点的分析理论。2 0 世纪7 0 年代法国科学家将数学均匀化方法( h o m o g e n i z a t i o n m e t h o d ) 弓i 入周期性结构研究中【2 ”，近年该方法已成为分析夹杂、纤维增强复合材料、混凝土材料等效模量的常用手段之一。本章利用均匀化方法研究缝纫复合材料层压板的弹性性能，探讨了相应的数学分析模型，进而利用有限元分析方法求解，进行了缝纫层压板弹性性能的预测研究。2 1均匀化理论基本原理 2 3 】如图2 1 所示复合材料宏观结构，可认为是由一系列单胞在空间排列组成。单胞尺度相对于结构宏观尺寸来说是很小的量，设为s ( o 占 1 时，上式中g 。7 ：了：；i f 万b g 2 一- y ”一c n 。1 口j而当d 进行缝纫泡沫夹层结构湿热性能的试验，研究环境因素对缝纫泡沫夹芯性能的影响，并研究其破坏机理；一6 9 结论与展望3 ) 建立缝纫泡沫夹层结构的破坏判据和强度预测方法；4 ) 开发缝纫泡沫夹层复合材料强度性能预测的工程软件。7 0 参考文献参考文献 1 】s t e e n k a m e r ，d a ，d j w i l k i n s ，& v m k a r b h a r i r e s i nt r a n s f e rm o l d i n gi ：m a t e r i a l sa n dp r e f o r m i n g p r o c e e d i n go fa d v a n c e dm a t e r i a l s3 ( 2 ) ，1 9 9 3 a p p 8 9 1 0 5 2 】s t e e n k a m e r ，d a ，d ，j w i l k i n s ，v ，m k a r b h a r i ，r e s i nt r a n s f e rm o l d i n gi i ：t o o l i n ga n dp r e f o r m i n g p r o c e e d i n go f a d v a n c e dm a t e r i a l s3 ( 3 ) ，1 9 9 3 a p p l 8 1 1 9 2 3 】m a r k u s ，a ，r p a l m e r r e s i nt r a n s f e rm o l d i n gf o ra d v a n c e dc o m p o s i t ep r i m a r ya i r c r a f ts t r u c t u r e t h ef i r s tn a s aa d v a n c e dc o m p o s i t e st e c h n o l o g yc o n f e r e n c e ，o c t o b e r2 9 - n o v e m b e r11 9 9 0 ，s e a t t e ，w a s h w a s h i o g t o n ，d ，c ：n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r t i o n 1 9 9 1 p p ，2 7 t - 2 9 2 4 a d a m s ，d o ，s t a n l e y ，le ，“d e v e l o p m e n ta n de v a l u a t i o no fs t i t c h e ds a n d w i c hp a n e l s ”，n a s ac r 一2 1 1 0 2 5 2 0 0 1 5 】d e x t e r ，h b d e v e l o p m e n to f t e x t i l er e i n f o r c e dc o m p o s i t e sf o ra i r c r a f ts t r u c t u r e s i n ：p r o c e e d i n g s t e x c o m p4 ，k y o t o ( 1 9 9 8 ) ：3 2 1 - 3 2 8 【6 j o h ng d a v i s ，j r o v e r v i e wo f t h ea c tp r o g r a m ，n 9 5 2 8 4 6 3 【7 】r i c h a r dc h o l z w a r t h ，a no v e r v i e wo f t h ea d v a n c e dl i g h t w e i g h ta i r c r a f tf u s e l a g es t r u e t u r e ( a l a f s ) p r o g r a m ，a i a a - 9 6 15 7 3 - c p 8 】8d o w ，m b ，d e x t e r ，h b ，“d e v e l o p m e n to f s t i t c h e d ，b r a i d e da n dw o v e nc o m p o s i t es t r u c t u r e si nt h ea c tp r o g r a ma n da tl a n g l e yr e s e a r c hc e n t e r ( 1 9 8 5t o1 9 9 7 ) ”，n a s at p 一2 0 6 2 3 4 ，1 9 9 7 【9 1k a r a l ，m ， a s tc o m p o s i t ew i n gp r o g r a m - e x e c u t i v es u m m a r y ，n a s ac r - 2 1 0 6 5 0 ，2 0 0 1 ， 】0 】j e g l e y ，d c a n db u s h ，f ，g ，“s t r u c t u r a lr e s p o n s ea n df a i l u r eo f af u l l - s c a l es t i t c h e dg r a p h i t e - e p o x yw i n g ”，n a s aa i a a - 1 3 3 4 ，2 0 0 1 1 l 】“c o m p o s i t e w i n g b o x t e s t e d t o f a i l u r e ，”a v i a t i o n w e e ka n d s p a c e t e c h n o l o g y ，v 0 1 1 5 2 ，n o 2 5 ，j u n e1 9 ，2 0 0 0 ，p 3 7 【1 2 v e l i c k i ，a ，“d e v e l o p m e n t o f s t i t c h e d c o m p o s i t es u b c o m p o n e n t s f o r t r a n s p o r t a i r c r a f tw i n gs t r u c t u r e s ”，4 4 t hi n f ls a m p es y m p o s i u m e x h i b i t i o o ，m 掣2 3 - 2 7 ，1 9 9 9 【1 3 】“c o m p o s i t ew i n gb o xt e s t e dt of a i l u r e ，”a v i a t i o nw e e ka n ds p a c et e c h n o l o g y ，v 0 1 1 5 2 ，n o 2 5 ，j u n e1 9 ，2 0 0 0 ，p 3 7 【1 4 】t a n n e r ，m a n da d a ms ，d o ，”a n a l y s i so f d a m a g ed e v e l o p m e n ti ns t i t c h e dc o m p o s i t es t i f f e n e rs ，”p r o c e e d i n g so f 1 9 9 9i n t e r n a t i o n a ls a m p et e c h n i c a lc o n f e r e n c e ，c h i c a g o ，1 l ，o c t o b e r1 9 9 9 1 5 j 王安平缝合复合材料的理论和试验研究( 硕士学位论文) 中国机强度研究所，2 0 0 0 一7 l 参考文献 1 6 桂进良缝纫层合板的本构关系研究( i ) 缝纫单层板有效弹性常数分析复台材料学报，2 0 0 2 ，1 ( 1 9 ) ：9 5 - 1 0 0 【17 r a j u ，k s ，t o m b l i n ，j s “e n e r g ya b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs t i t c h e dc o m p o s i t es a n d w i c hp a n e l s ”，j o u r n a lo f c o m p o s i t em a t e r i a l s ，v o l ，3 3 ，n o 8 ，1 9 9 9 1 8 】张庆茂缝合复合材料有限元分析、n c c m - 1i 论文集，2 0 0 0 ，3 9 0 3 9 7 1 9 d b s e h o l ze ta l ，a d v a n c e dt e c h n o l o g yc o m p o s i t ef u s e l a g e m a t e r i a l sa n dp r o c e s s e s ，n a s a - 9 7 一c r 4 7 3 1 ，1 9 9 7 【2 0 r o h a c e l lf o a m ，n o r t h e r nf i b e rg l a s s ，h a m p t o nn e wh a m p s h i r e ，1 9 9 9 2 1 1 德国罗姆公司，k o h a c e l l 泡沫芯材产鼎介绍，m a y2 0 0 2 2 2 】冯淼林，吴长春基于三维均匀化方法的复合材料本构数值模拟中国科学技术大学学报，2 0 0 0 ，6 ( 3 0 ) ：6 9 3 6 9 9 2 3 l i us h u t i a n ，c h e n gg c n g d o n g h o m o g e n i z a t i o nm e t h o do f s t r e s sa n a l y s i so f c o m p o s i t es t r u c 札r e s ，a c t am e c h a n i c as i n i c a , 1 9 9 73 ( 2 9 ) ：3 0 6 - 3 1 3 ，【2 4 汪海复合材料缝合结构静强度研究( 博士学位论文) 沈阳飞机设计研究院，2 0 0 1 2 5 】e s h e l b y ，j d ，t h ed e t e r m i n a t i o no f t h ee l a s t i cf i e l do f a ne l l i p s o i d a li n c l u s i o na n dr e l a t e dp r o b l e m s ，p r o c e e d i n g so f t h er o y a ls o c i e t y ，l o n d o n ，s e r i e sa ，1 9 5 7 ，2 4 0 ：3 6 7 3 9 6 1 2 6 h al u oa n dg j w e n g ：o ne s h e l b y ss t e n s o ri nat h r e e - p h a s ec y l i n d r i c a l l yc o n c e n t r i cs o l i d ，a n dt h ee l a s t i cm o d u l io f f i b e r - r e i n f o r c e dc o m p o s i t e s m e c h a n i c so f m a t e r i a l sv 0 1 8 ，7 7 8 8 ，1 9 8 9 2 7 m o r i ，t ，t a n a k a , k ，a v e r a g es t r e s si nm a t r i xa n da v e r a g ee n e r g yo f m a t e r i a l sw i t hm i s f i r i n gi n c l u s i o n s ，a c t m e t a l l ，1 9 7 3 ，2 1 ：5 7 1 5 7 4 【2 8 】杜善义，王彪复合材料细观力学科学出版社，1 9 9 8 3 【2 9 罗祖道，李思简各向异性材料力学上海交通大学出版社，1 9 9 4 8 3 0 】沈真复合材料结构设计手册航空i 。业出版社，2 0 0l 1 【3 1 】a s t ms t a n d a r d s ：s h e a rs t r e n g t ho f c o n t i n u o u sf i b e r - r e i n f o r c e da d v a n c e dc e r a m i c sa tm b i e n tt e m p e r a t u r e s a s t md e s i g n a t i o nc1 2 9 2 9 5 a ：4 0 8 - 4 1 4 3 2 】w a l r a t h1 3ea n da d a m sdft h ei