CFRP面板夹芯结构在准静态压痕和高速冲击下的结构响应：实验与数值研究

摘要整理

蜂窝夹芯结构（HSS）采用碳纤维增强复合材料（CFRP）面板，因其高强度-质量比和能量吸收性能，在航空航天工程中被广泛应用于轻量化结构。然而，复合材料面板对冲击载荷高度敏感，冲击能量会导致结构损伤。本研究通过实验和数值模拟，系统调查了CFRP面板蜂窝夹芯结构在准静态压痕和宽范围冲击能量（低速至高速冲击）下的结构响应。建立了有限元模型，在不同冲击能量下进行数值模拟，深入分析冲击动力学过程和多种损伤模式，包括凹陷、前面板穿孔、芯材损伤和后面板贯穿。利用单级气枪在53.6 J冲击能量下进行实验验证，对比数值模拟结果与实验测试的变形和损伤状态。通过准静态压痕测试和冲击试验数据对比，研究了加载速率的影响。采用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺，向基体系统中添加不同质量百分比（0.2%、0.4%和0.6%）的碳纳米管（CNT），在79、107和135 J冲击能量下进行实验。结果表明，CNT添加量增加时抗冲击性能提升，0.6 wt% CNT添加的所有试样在测试工况下均未发生穿孔。CNT添加对后面板损伤面积影响更显著，在135 J冲击能量下，0.6 wt% CNT添加相比纯碳/环氧复合材料的损伤面积减少了57%。

相关论文