高应变率下帘线/橡胶复合材料结构的力学性能研究

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帘线/橡胶复合材料作为一种柔性结构复合材料,兼具高强度、可变形和轻量化等优点,其制品在航天航空等领域已得到广泛应用。然而,随着航天航空技术的发展,高应变率等苛刻服役工况对该类复合材料制品的力学性能带来了严峻挑战。同时,受到工艺限制,搭接结构形式还普遍应用在该类复合材料制品中,其搭接性能的好坏直接影响制品的寿命及安全性。因此,本文以帘线/橡胶复合材料层合结构为研究对象,采用试验研究和数值仿真相结合的方法,开展了高应变率下材料结构工艺参数对其性能影响规律的研究,为航空航天典型橡胶复合材料制品的结构设计提供理论指导。首先,建立了高应变率下帘线/橡胶复合材料的本构模型。针对尼龙帘线、丁腈橡胶和单层帘线/橡胶复合材料开展了不同应变率下的力学性能试验,获得了各材料分别在高应变率和低应变率下的应力-应变曲线,采用Marlow模型表征帘线的超弹性本构关系,通过拟合橡胶线性阶段杨氏模量随应变率变化的关系式表征橡胶应变率相关的弹性本构,并通过试验与仿真的结果对比验证了所建本构模型的准确性,为有限元仿真分析奠定基础。其次,开展了不同层合结构参数(搭接长度、搭接段间距和帘线角度)对帘线/橡胶复合材料力学性能影响规律的试验研究。针对不同结构参数研究设计了不同层合结构的试样,获得了各影响因素对该复合材料模量、强度及断裂伸长率的影响规律。对试样的失效模式进行了理论受力分析及讨论,并结合有限元仿真的方法分析了高应变率下试样在受力过程中的应力分布情况,还搭建了DIC测试平台,对不同帘线角度试样在拉伸过程中表面应变规律进行了分析,表明了所得规律的正确性,为后续提出制品层合结构改进方案奠定基础。最后,基于上述帘线/橡胶复合材料本构模型,建立了典型柔性支座工程制品的有限元仿真模型。对该制品中有无搭接结构情况时的力学性能进行了对比分析,揭示了存在搭接结构对复合材料制品整体力学性能的影响。基于上述不同层合结构参数对该复合材料力学性能影响规律,提出了柔性支座制品结构改进方案,对各方案进行了仿真分析和安全性趋势比较,为帘线/橡胶复合材料制品层合结构的设计提供理论依据,具有较高的理论意义和应用价值。
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