瞬态热-机械冲击载荷作用下含金属内衬复合材料圆筒结构损伤研究

Composite cylinder with metal liner is formed by composite enwinding the metal liner, and are widely used in the fields of aeronautics, astronautics, weapon and chemical engineerings. Aming at the damage problems of the composite cylinder with metal liner under transient thermal-mechanical impact loads, from the composite micromechanics, this proposal establishes the damage mechanics model for the composite cylinder with metal liner under the coupling of thermal-mechanical impact by adopting the basic principle of damage mechanics and fracture mechanics. And the effective numerical method will be developed for the simulations based on the meshless method. Then the impact experimental tests will be conducted by using the principle of closed bomb and ultrasonic C-scan technology. The structural damage modes of the composite cylinder with metal liner under the thermal-mechanical impact loads and the structural damage emergence and propagation rules will be obtained by using a various techniques combined research mothod, including theorical analysis, model study, numerical simulation and experimental verification, et al. The researches in this proposal will provide a theoretical basis for the security design and life design of composite structures and also provide a theoretical and technical basis for the applications of composite structures in special engineerings.

含金属内衬复合材料圆筒结构是一种金属内衬外缠绕复合材料形成的复合结构，在航空、航天、兵器、化工等领域广泛应用。本项目针对金属内衬复合材料圆筒结构在瞬态热-机械冲击载荷下的损伤和破坏问题，从复合材料细观力学出发，采用断裂力学和损伤力学基本理论，建立热-机械载荷耦合作用下含金属内衬复合材料圆筒结构损伤力学模型，基于无网格法发展高效数值方法进行仿真模拟，采用密闭爆发原理和超声C探伤扫描技术开展冲击损伤试验。通过采用理论分析、模型研究、数值模拟、试验验证等多个技术环节相结合的研究方法，研究获得热-机械冲击载荷作用下金属内衬复合材料圆筒结构损伤模式、结构损伤产生、扩展及演化规律，为复合结构的安全性设计和寿命设计提供理论依据，为复合材料在特种工程结构中的应用奠定理论和技术基础。

本研究项目在充分吸收国内外关于复合材料结构在冲击载荷作用下损伤破坏理论和试验研究的基础上，结合复合材料结构在国防领域的应用背景，针对金属内衬复合材料圆筒结构在承受瞬态热-机械冲击载荷作用下的结构损伤问题，开展了瞬态热-机械冲击载荷的耦合作用机理及其对金属内衬、复合材料、界面的损伤和破坏规律研究，开发了能有效模拟复合材料损伤的数值计算程序，设计了复合结构在瞬态热-机械冲击载荷作用下的损伤试验方法。.主要研究内容与成果包括：（1）热-机械冲击载荷耦合作用机理，重点研究了：热载荷作用下材料的热传导系数、比热容的非线性对热传导与温度分布的影响；考虑了温度效应对复合材料圆筒结构应力大小及其分布的影响。研究发现：由于金属与复合材料热学特性不同，温度会在金属层与复合材料层的交界面处聚集；在瞬态热载荷冲击作用下，圆筒内壁烧蚀破坏并且在圆筒内部产生较大的热应力；通过提高复合材料的导热性能，可以改善热传导与温度分布。（2）热-机械冲击载荷作用下金属内衬复合材料圆筒结构损伤模式，重点研究了：不同复合结构设计参数和不同载荷工况下对复合材料圆筒损伤的影响。研究发现：高温高压易导致复合材料层基体撕裂；在保持总体圆筒壁厚不变的情况下，金属层越厚，圆筒内壁峰值温度越低，圆筒烧蚀寿命变高。（3）热-机械冲击载荷作用下金属内衬复合材料圆筒结构裂纹产生、扩展和演化规律，重点研究了：分析不同载荷作用下复合材料圆筒裂纹扩展及演化规律；不同初始角度裂纹的扩展路径与扩展规律。研究发现：在热-机械冲击载荷作用下，压力载荷对裂纹的扩展起主要作用，裂纹的扩展路径不受初始裂纹角度的影响。（4）发展了高效数值方法-无网格法进行数值模拟方法，开发了冲击载荷作用下金属内衬复合材料圆筒结构损伤数值计算程序，重点研究了：不同载荷对结构中复合材料的损伤类型及其扩展规律。研究发现：随着载荷增加，复合材料损伤区域逐渐扩展，并且其损伤形式不是以单一形式出现，而是多种损伤形式重叠在一起。（5）开展了冲击损伤试验：压力载荷作用下复合材料圆筒渐进性损伤试验，热-机械载荷下复合材料圆筒裂纹扩展试验，验证了理论推导与数值模拟的正确性。.本项目结合理论分析、数值模拟以及试验验证获得了热-机械冲击载荷的耦合作用机理及其对金属内衬、复合材料、界面的损伤和破坏规律，为结构设计提供了理论依据，对于提高含有金属内衬复合材料结构的安全性和寿命，拓展复合材料结构