轻量化结构设计用复合材料夹芯板的实验与数值研究

摘要整理

复合材料夹芯板因其优异的比强度特性，在汽车、航空航天和国防等领域的轻量化结构设计中得到广泛应用。本文对复合材料夹芯板在准静态边向和面向压缩载荷下的力学性能进行了实验和数值研究。面板采用2×2双向200GSM斜纹碳纤维与热固性苯并恶唑树脂复合制备，夹芯层选用铝蜂窝芯材。采用50 kN容量的岛津万能试验机对复合材料面板进行拉伸和弯曲试验，对夹芯板进行边向和面向压缩试验，每组试验均测试3个样品。结果表明：复合材料面板的拉伸强度为444 MPa，弯曲强度为842 MPa，接近航空航天应用中的环氧基复合材料水平；夹芯板的边向压缩强度为610 MPa，面向压缩强度为3.5 MPa。拉伸试样在破坏前出现分层，破坏位置靠近夹具端部；弯曲试样仅在受压面出现单层分层，试样整体保持完整；边向压缩呈弯曲破坏模式，拉伸侧出现严重分层，中面处出现折线裂纹；面向压缩未观察到明显损伤。采用LS-DYNA显式有限元求解器建立了数值模型，复合材料和蜂窝芯分别采用材料类型22和26定义，利用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_SURFACE_TIEBREAK接触卡（选项9）基于B-K线性断裂力学准则模拟分层扩展。数值结果与实验观测相符。研究表明，建立的LS-DYNA仿真方法可作为复合材料夹芯板轻量化结构设计的有效工具。

相关论文