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摘 要

层合板及其夹芯结构凭借其优良的力学性能在航空航天、船舶等行业得到广泛应用。在实际服役过程中不可避免地会受到碎石、鸟体等冲击荷载的作用，导致材料发生损伤破坏，影响结构的承载能力。因此，层合板及其夹芯结构在动力荷载下的损伤破坏行为研究具有重要意义。

由于层合板及其夹芯结构的抗冲击性能难以用实验进行表征，本文通过有限单元法对其抗冲击性能展开研究。选取复合材料层合板的失效准则，建立层合板及其夹芯结构在低速冲击下的仿真模型，并对其冲击损伤特性展开分析，其中，模型建立所需要的参数以课题组前期试验为参考。通过分析可以发现，仿真结果和试验结果中得到的冲击凹坑参数基本一致；面板和芯子的应力云图呈现环状分布；层合面板的损伤扩展方向与纤维方向基本一致，而泡沫铝损伤形状不具有方向性。

针对夹芯结构的面内压缩强度展开理论分析，采用有限元模拟和试验研究相结合的方法，建立了冲击后的结构面内压缩模型，以研究夹芯结构在冲击后的剩余强度。并在此模型的基础上，进一步对含不同损伤类型的结构进行仿真分析，研究其剩余强度的差异性。结果表明，不同的初始损伤对于模型整体刚度的影响基本可以忽略，但是会造成结构强度不同程度的降低。

关键词：夹芯结构；抗冲击性能；冲击响应；剩余强度；有限单元法

Abstract

Laminate and its sandwich structure are widely used in aerospace, shipbuilding and other industries due to their excellent mechanical properties. In the actual service process, they are inevitably subjected to impact loads such as gravel, bird body, etc., resulting in damage to the material and affecting the bearing capacity of the structure. Therefore, it is of great significance to study the damage and failure behavior of laminate and its sandwich structure under dynamic load.

This paper studies its impact resistance by the finite element method, because it is difficult to characterize impact resistance of the laminate and its sandwich structure experimentally. The failure criterion of composite laminates was selected, and a simulation model of laminate and its sandwich structure under low-speed impact was established, the the impact damage characteristic was analyzed. The parameters required for model establishment are based on the preliminary test of the research group. It can be found that the parameters of the impact pits obtained in the simulation results and the test results are basically the same, and the stress cloud diagram of the panel and the core shows a circular distribution. The damage propagation direction of the laminate panel is basically the same as the fiber direction, and the damage shape of the aluminum foam is not directional.

The theoretical analysis of the in-plane compression strength of the sandwich structure was carried out. In order to study the residual strength of the sandwich structure after impact, the method of combining finite element simulation and experimental research was used to establish the in-plane compression model of the structure after impact. On the basis of this model, the structures with different damage types were further simulated and analyzed to study the difference in residual strength. The results show that the effect of different initial damages on the overall stiffness of the model is basically negligible, but it will reduce the structural strength to varying degrees.

Key words: sandwich structure；impact resistance；impact response；damage tolerance；finite element method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 层合板及其夹芯结构的组成及分类 1

1.3 泡沫夹芯结构的特性与应用 2

1.4 夹芯结构的抗冲击性能国内外研究现状 3

1.4.1 夹芯结构的动力学冲击研究现状 3

1.4.2 夹芯结构冲击后面内压缩性能的研究现状 4

1.5 研究内容 4

第2章 层合板及其夹芯结构的低速冲击分析理论 6

2.1 引言 6

2.2 泡沫铝的压缩特性 6

2.3 泡沫铝的塑性本构 6

2.4 复合材料的损伤准则 7

2.5 夹芯结构面内压缩强度的理论分析 8

第3章 层合板及其夹芯结构低速冲击仿真分析 11

3.1 引言 11

3.2 低速冲击有限元模型的建立 11

3.2.1 夹芯结构的模型来源（参考试验） 11

3.2.2 网格划分及单元类型 11

3.2.3 接触条件、边界条件及载荷的施加 12

3.2.4 材料属性的定义 12

3.3 夹芯结构的冲击损伤特性分析 13

3.3.1 冲击凹坑 13

3.3.2 冲击应力场 14

3.3.3 层合面板损伤 15

3.3.4 泡沫铝损伤 16

3.4 本章小结 17

第4章 受冲击后的夹芯结构面内压缩的模型仿真分析 18

4.1 引言 18

4.2 受落锤冲击后的夹芯结构面内压缩的模型仿真分析 18

4.2.1 夹芯结构的模型来源（参考试验） 18

4.2.2 模型的建立 19

4.2.3 有限元分析 20

4.3 不同初始局部损伤对模型的压缩强度的影响的研究 21

4.3.1 永久性冲击凹痕 22

4.3.2 面板含有孔洞 22

4.3.3 冲击凹痕及凹痕处的面芯间空隙 23

4.3.4 不同损伤类型仿真的结果对比 24

4.4 本章小结 25

第5章 结论与展望 26

5.1 结论 26

5.2 展望 26

参考文献 28

致谢 30

本科期间发表的学术论文情况 31

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

层合板及其夹芯结构以其较高的比力学性能和较好的吸能特性等优秀性能，在建筑材料、航空航天、汽车防撞等领域的应用非常广泛，吸引了国内外很多研究机构及学者对其进行研究^[1]。

由于在实际应用中，层合板及其夹芯结构一般为飞机机翼及机舱等壁板类结构的原材料，因此其最容易遭受的损伤即为外来物的冲击损伤^[2]。在受到低速冲击之后，结构内部可能已经出现了损伤而表面却没有任何痕迹，内部的损伤会造成结构剩余强度的降低，进而影响了整个结构的使用安全，甚至会造成一些不可挽回的损失^[3]。因此，对于层合板及其夹芯结构的抗冲击性能的研究十分迫切。

本课题以结构重量轻、吸能性强且易于成型的泡沫铝芯材夹芯结构为研究对象，采用有限元仿真的方法研究了其在受到冲击时的响应以及冲击后结构的剩余压缩强度，为夹芯结构在汽车、飞机等方面的安全应用提供参考。

1.2 层合板及其夹芯结构的组成及分类

夹芯结构一般由三个部分组成，即上下两个面板以及中间隔开它们的芯子，三者采用胶层连接起来。其中，相对于芯子，采用的薄面板的强度和刚度较大；相对于面板，芯子则较厚，密度较低。相比于层合板，夹芯结构中的芯子大大增加了结构的截面惯性矩，从而提高其抵抗弯曲和失稳的能力，同时其重量的增加很小。典型的夹芯结构示意图如图1.1所示。

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