缠绕复合材料结构低能量冲击损伤表征与剩余强度研究

Wound composite structure is a kind of typical structure forms and widely used in important strategic field such as aviation, aerospace, weapons, chemical industry, etc. This typical structure is particularly sensitive to mechanical impact load, and then its residual strength under low energy impact is studied. In the study, the actual situation such as the wound structure generally for cylindrical shells, loads of internal pressure and axial compression, etc. and the mesoscopic structure characteristics such as Linear mixed, ups and downs, and fluctuation, etc are highlighted. damage modes under the low energy impact loading, failure mechanism of structure with impact damage and cumulative damage modes in the process of destruction are studied by experiment method. A kind of unified damage characterization method is explored, which can both describe the initial impact damage information and record structure damage cumulative damage. Residual strength analysis on wound composite structures with impact damage is implemented, by establishing a cumulative damage model with wound composite material mesoscopic structure characteristics. This project research lays important basis for damage tolerance and structural integrity of wound composite structures, has important practical significance and value to ensure the launch reliability, flight reliability of aircraft and use safety of chemical products.

本项目以航空、航天、导弹武器、化工等重要战略领域广泛采用的缠绕复合材料典型结构为研究对象，针对其对机械冲击载荷特别敏感的特性，进行低能量冲击下结构剩余强度研究。研究中充分考虑缠绕结构一般为圆柱壳、所受载荷多为内压和轴压等实际情况，突出反映细观结构线形交织、起伏与波动等特点，对其在低能量机械冲击载荷作用下的损伤模式以及含冲击损伤结构的破坏机理与破坏过程中的累积损伤模式进行较系统试验研究，探索一种既能描述初始冲击损伤信息，又能记录结构破坏过程中累积损伤信息的统一损伤表征方法，通过建立具有缠绕复合材料细观结构特点的逐步累积损伤模型，实现对含冲击损伤缠绕复合材料结构剩余强度分析。该项目为缠绕复合材料结构损伤容限和结构完整性研究奠定基础，对于保证飞行器的发射可靠性、飞行可靠性及化工产品的使用安全性具有重要现实意义和价值。

本项目以航空、航天、导弹武器、化工等重要战略领域广泛采用的缠绕复合材料典型结构为研究对象，针对其对机械冲击载荷特别敏感的特性，开展了低能量冲击下结构剩余强度研究。制作了碳纤维缠绕复合材料圆柱壳结构件，开展了不同能量下的低速冲击试验，对缠绕复合材料结构在低能量机械冲击载荷作用下的损伤模式进行了较系统试验研究，结果表明缠绕复合材料壳体在低速冲击下主要损伤模式为基体开裂、分层和纤维断裂三种模式，其中纤维断裂是导致结构最终破坏的重要损伤模式。提出一种复合材料结构统一损伤表征方法，该方法能描述初始冲击损伤信息，又能记录结构破坏过程中累积损伤信息。构建了考虑损伤的复合材料损伤本构模型，发展了复合材料损伤判据，提出一种新的复合材料刚度退化准则，建立了基于有限元的复合材料结构渐进失效分析模型，用于对含冲击损伤缠绕复合材料结构剩余强度进行分析。开展了缠绕复合材料压力容器水压爆破试验，对所建立的模型进行了验证。该项目为缠绕复合材料结构损伤容限和结构完整性研究奠定基础，对于保证飞行器的发射可靠性、飞行可靠性及化工产品的使用安全性具有重要现实意义和价值。