混杂复合材料夹芯结构设计及力学性能评价

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点阵夹芯结构一般是由上下面板、芯层以及面板与芯材之间的粘结层组成,由于其芯层点阵结构具有优异的力学性能以及可设计性强等特点,可以很好地满足轻量化以及各种复杂工况的要求,被广泛应用于车辆、航空航天、航海等重要的工业领域。然而,在实际工程应用中,夹芯结构难免会受到压缩、冲击等荷载的作用,导致复合点阵层板出现损伤、界面脱粘等破坏。因此,开展复合材料点阵夹芯结构的准静态压缩性能以及镁合金点阵夹芯板的低速冲击性能的研究具有十分重要的意义。本文以FDM 3D打印的纤维增强聚乳酸复合材料为研究对象,通过试验研究和数值模拟相结合的方法,对纤维增强复合材料点阵及其混杂夹芯结构在压缩以及冲击载荷作用下的损伤破坏规律进行了研究分析。本文首先基于准静态拉伸试验确定了短切碳纤维增强聚乳酸复合材料本构模型参数,并利用Fortran语言编写了适用于ABAQUS/Explicit分析的VUMAT用户材料子程序,通过对比分析拉伸模拟结果与实验结果,验证了材料子程序的正确性。在此基础上,对不同纵横比的F2CC点阵夹芯结构进行了准静态压缩模拟,并将准静态压缩模拟的结果与理论分析结果进行了对比分析。研究结果表明:随着纵横比的增大,点阵夹芯结构的初始压缩刚度以及压溃强度都不断增大,而且初始屈服响应后应力下降越急剧。而对于结构的压缩吸能特性,在达到压溃强度之前,在相同压缩应变下纵横比越小的F2CC点阵结构的吸能及其吸能效率越小;当达到压溃强度以后纵横比较小的F2CC点阵结构的吸能及其吸能效率开始逐渐超过纵横比较大的,并且随着应变的增大差距不断增大。最后,结合理论分析、数值模拟等方法详细研究了芯层结构、冲击能量等因素对镁合金复合梯度点阵夹芯板的低速冲击性能的影响。基于上述对于不同纵横比的F2CC点阵夹芯结构的准静态压缩模拟结果,设计了不同密度梯度分布的点阵夹芯结构,通过将镁合金复合梯度点阵夹芯板与其对应的均匀点阵夹芯板进行对比分析发现,在同一冲击能量下,与其对应的均匀点阵夹芯板相比,三种梯度点阵夹芯板表现出优异的抗冲击性能。通过对比分析不同冲击能量下镁合金复合梯度点阵夹芯板的低速冲击特性发现,随着冲击能量的增加,夹芯板更快达到峰值应力,冲头对其的最大侵彻位移也不断增大,同时夹芯板吸收的能量不断增加,并且吸收能量占冲击能量的比例也在增大。
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