脉冲电流下碳纤维/环氧树脂基正交编织复合材料冲击强化机理及模型研究

In order to improve impact impedance and damage tolerance of orthogonal woven composite comprehensively by taking advantage of electromagnetic field and composite structural characteristic, the coordinated electromagnetic and impact experimental equipment and fixture will be designed when subject to pulse current. Suppression mechanism of composite damage will be analyzed combing impact experiment subject to electromagnetic field with non-destructive testing method, etc. The coupling analysis technique of multi-physical field will be formed for orthogonal woven composite when subject to electromagnetic field. Analysis model of electromagnetic heat such as joule heat and contact heat will be established. Influence of electromagnetic waveform and time duration on the coupling mechanism of multi-physical field will be studied. The coordinated testing equipment of impact, four-probe resistivity detection and heat flux detection will be designed. The evolving parameter models of electric heat for plane tows, reinforcement and matrix will be established by testing resistivity, temperature and heat flux density in impact process when subject to electromagnetic field. Rate dependent impact damage and delamination models of orthogonal woven composite will be established combing unidirectional composite damage theory, cohesive zone theory with strain rate and temperature effects. Damage suppression capacity subject to electromagnetic field and residual strength under axial compression after damage will be studied. Suppression efficiency of impact damage will be analyzed when subject to electromagnetic field. Influence rule of the main electromagnetic and material parameters on damage suppression and residual strength will be revealed, etc. This project has great theory importance and engineering requirement to study composite multifunction in-depth when subject to electromagnetic field.

为了利用电磁场和正交编织复合材料结构特点综合提高冲击阻抗和损伤容限，本项目开展脉冲电流下电磁、冲击协调实验装置和夹具设计，结合电磁环境下的冲击实验和无损检测等技术开展复合材料损伤抑制机理分析；形成电磁环境下正交编织复合材料的多物理场耦合分析技术，建立复合材料焦耳热和接触热的电磁热分析模型，研究电磁波形及时间效应对多物理场耦合机理的影响；开展冲击、四极电阻探测和热流探测协调测试装置设计，通过电磁环境下复合材料冲击过程的电阻、温度和热流密度测量，建立平面丝线、增强体和基体的电热参数演化模型；结合单向复合材料损伤理论、粘结域理论、应变率和温度效应建立率型冲击损伤模型和分层模型；研究电磁环境对冲击损伤的抑制及损伤后的轴向压缩剩余强度，分析电磁环境对冲击损伤的抑制效率，揭示主要电磁和材料参数对损伤抑制和剩余强度的影响规律等。本项目对于深入研究电磁环境下复合材料的多功能特性具有重要理论价值和工程需求。

本项目以利用电磁环境和正交编织复合材料结构的协同效应提高冲击阻抗和损伤容限为目标，开展了电磁环境下三维正交编织复合材料冲击强化机理和损伤抑制方法研究。基于类VB语言进行二次开发解决了多仪器协同响应难题，形成了无线通讯技术，并设计搭建了集脉冲电流、冲击和数据采集功能一体化的实验平台；结合电磁环境下的冲击实验和超声C无损检测技术等研究了复合材料冲击损伤抑制机理，量化了脉冲电流对正交编织复合材料的损伤抑制效果，实验结果表明：脉冲电流能有效降低正交编织复合材料的损伤程度和残余变形。从热力学、电磁能转化和材料损伤演化角度系统开展了三维正交编织复合材料与脉冲电流、冲击载荷作用效应的理论分析，提出了考虑电磁效应和电热效应的纱束损伤本构模型。结合多尺度方法和损伤力学理论，从微观角度计算了单向碳纤维/环氧树脂纱束的力学、热学和电磁等效性能参数，提出了电磁环境与冲击载荷协同作用下正交编织复合材料的实时多物理场耦合方法，建立了复合材料电-热-力-冲击模型和电-磁-热-力-冲击分析模型，研究了脉冲电流下三维正交编织复合材料冲击损伤抑制机理以及复合材料温度、电流密度和损伤动态变化过程等。研究结果表明：碳纤维纱束中微裂纹的形成和挤压变形导致正交编织复合材料结构中局部电流重分布，其与自场的相互作用产生了明显的抗冲击效果。结合高温环境下三维正交编织复合材料力学性能测试和建立的细观热力耦合损伤单胞模型，预测了电流热效应对正交编织复合材料刚度和强度的影响。开展了正交编织复合材料经脉冲电流和冲击载荷作用后的轴向压缩剩余强度试验和仿真模拟，评估了电磁环境对冲击损伤的抑制效率。研究结果表明：随脉冲电流幅值增加，冲击损伤抑制效率增加。本项目提出一种结合材料结构和电磁特性的冲击损伤抑制策略，形成了提高复合材料力学性能的新设计理念，并系统从实验、理论和仿真等方面验证了该方法的可行性。