三维中空夹芯复合材料低速冲击性能及损伤机理研究

Three-dimension hollow sandwich composites (3D composites) are more sensitive to low-velocity impact loads, and easily appears visual and invisual damage, which would result in great decrease in mechanical properties of the composites, and seriously affect the composites' application. Low-velocity impact response of the 3-D composites were studied in the research project, and influence of impact energy, pile and face-sheet structures, and interface characters of fibers and resin matrix on low-velocity impact properties was analyzed, and macroscopic and microscopic damage appearance of the 3-D composites was observed, and relationship between damage size and impact energe was discussed too.Meso-structure model of the 3-D composites was built based on scale between fibers and matrix by using finite element software ANSYS. Low-velocity impact process was simulated, and low-velocity impact damage mechanism was revealed through analyzing stress distribution in the composite structures, initial and expanding impact damage, expanding interface flaw, and critical areas of the 3-D composites appearing structure damage.Based on meso-structure model, dynamic mechanical response of the 3-D composites under low-velocity impact loads was calculated, and variation of stress with time on fibers and matrix was studied, and influence of structural parameters on low-velocity impact properties was analyzed too. The research project provides an effective method for the low-velocity impact resistance structural designing of the 3-D composites, and layes a foundation for the next step research on low-velocity impact damage tolerance, which has important theoretical value and material influence.

三维中空夹芯复合材料对低速冲击载荷比较敏感，极易出现可视或不可视损伤，使得材料力学性能大幅下降，严重影响材料的使用。本课题主要内容：①研究材料的低速冲击响应，分析冲击能量、芯材与面板结构、纤维与基体界面特性对材料低速冲击性能的影响，观察材料发生冲击损伤的宏观和细观破坏形态，探讨损伤尺寸与冲击能量之间的关系；②利用有限元软件ANSYS，建立材料细观结构模型，模拟材料低速冲击过程，通过分析应力在材料结构中的分布、材料损伤的初始与扩展、纤维与基体界面裂纹的扩展，以及材料结构破坏的关键区域，揭示材料在低速冲击载荷下的损伤机理；③借助细观结构模型，计算材料在低速冲击载荷下的力学响应，研究纤维和基体平均应力随时间变化规律，分析结构参数对材料低速冲击性能的影响。 本课题研究为三维中空夹芯复合材料抗冲击结构设计提供了一种有效方法，并为下一步研究材料低速冲击损伤容限奠定了基础，具有重要的理论价值和现实意义。

三维中空夹芯复合材料是一种新型夹层结构材料，具有优异的轻质、高强、隔热、阻燃、易成型等优点。其优异的性能在过去十几年间受到了众多的关注，并被广泛用于航天航空、船舶、汽车、建筑等领域。但是与大多数纤维增强复合材料一样，三维中空夹芯复合材料对冲击载荷，特别是低速冲击比较敏感。当其在制造成型、运输、使用和维护过程中，常常会受到各种情况的低速冲击，如工具掉落、石子飞溅、冰雹侵袭等撞击，导致材料出现可视损伤或不可视损伤，使得材料面内力学性能尤其是压缩性能大幅下降，严重影响材料的使用，最终极易导致材料结构破坏，甚至会直接导致事故的发生。因此，研究三维中空夹芯复合材料的低速冲击性能及损伤机理具有极其重要的理论价值和现实意义。本项目的研究将为三维中空夹芯复合材料的抗冲击结构设计提供一种有效方法，并为下一步研究材料的低速冲击损伤容限奠定基础。.项目研究内容：①材料的低速冲击响应研究。重点分析冲击能量、芯材结构等因素对材料低速冲击性能的影响，观察材料发生冲击损伤的破坏形态，探讨损伤尺寸与冲击能量之间的关系；②利用有限元软件ANSYS，建立材料细观结构模型，模拟材料低速冲击过程，通过分析应力在材料结构中的分布、材料损伤的初始与扩展、纤维与基体界面裂纹的扩展，揭示材料在低速冲击载荷下的损伤机理；③借助细观结构模型，计算材料在低速冲击载荷下的力学响应，研究纤维和基体平均应力随时间变化规律，分析结构参数对材料低速冲击性能的影响。.研究结果：项目研究期间，在国内外核心期刊上共发表高水平论文22篇，其中SCI论文4篇、EI论文2篇、中文核心CSCD论文16篇，申请专利3件，参加国际会议1次。通过该项目的研究，基本完成了项目申请时的预期目标，取得了预期成果。