复合材料机匣冲击后的力学性能分析

复材

第２３卷第１期航空动力学报

ｖ０１．２３Ｎｏ．１

２００８年１月

Ｊｏｕｍａｌ

ｏｆＡｅｒ惦ｐａｃｅＰｏｗｅｒ

Ｊａｎ．２００８

文章编号：１０００一８０５５（２００８）０１一００５０—０５

复合材料机匣冲击后的力学性能分析

崔海坡１，温卫东２

（１．上海理工大学医疗器械学院，上海２０００９３；２．南京航空航天大学能源与动力学院，南京２１００１６）

摘

要：应用三维逐渐累积损伤理论及有限元分析技术，对复合材料机匣的冲击性能及冲击后在静载工

况下的力学性能进行了分析．结果表明，冲击后机匣内部会产生基体开裂、基体挤压破坏、分层和纤维断裂等微观损伤；对于所研究的机匣，当冲击能超过２６Ｊ后，在给定的静载工况下，其冲击损伤会大面积扩展．关键词：航空、航天推进系统；冲击；复合材料；机匣；逐渐损伤中图分类号：ＴＢ３３

文献标识码：Ａ

ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃＯｍｐｏｓｉｔｅ

ｃａｓｅ

ａｆｔｅｒｉｍｐａｃｔ

ＣＵＩ

Ｈａｉ—ｐ０１，ＷＥＮＷｅｉ—ｄｏｎ９２

（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｄｉｃａｌＤｅｖｉｃｅｓ，

ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，

Ｃｈｉｎａ；

２．Ｃ０１１ｅｇｅｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，

ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ３Ｄｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅｕｓｅｄ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ａｅｒｏｓｐａｃｅ

ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｉｍｐａｃｔ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；

ｃａｓｅ；

ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｄａｍａｇｅ

纤维增强树脂基复合材料因其具有比强度和另一类是跑道碎石、冰雹等高速冲击．由于复合材比刚度高、可设计性强等诸多优异特性，在许多重料结构受到低能冲击后很容易出现损伤，并且表面要的工程结构中得到广泛应用．仅就飞机而言，复损伤一般较小，难以直接观察到，而内部和冲击内合材料的用量已经从占机体总重的２％～３％增表面往往会发生基体开裂、基体挤压破坏、分层和加到１０％～１５％，在有些更先进的飞机结构上，纤维断裂等微观损伤，这些内部损伤将使结构的强复合材料的用量甚至高达４０％～６０％［１］．如度大幅度降低，严重影响其继续使用，甚至直接导Ｆ４０４，Ｆ１０１，ＲＢ２１１等发动机的外涵道整流罩或致事故的发生．因此，对树脂基复合材料机匣冲击外涵道机匣等已采用高强度碳纤维增强树脂基复后的力学特性进行研究具有重要的工程价值．

合材料来减轻发动机重量，提高推重比［２］．发动机目前，对复合材料机匣在其静载工况下的研复合材料机匣在制造和使用过程中会遇到两类低究工作开展得较多，而对其冲击后的力学特性分能冲击：一类是工具坠落、设备撞击等低速冲击，

析的文献还比较少见．因此，本文应用作者以前提

收稿日期：２００６—１２—２１；修订日期：２００７一０３一０７

作者简介：崔海坡（１９７８一），男，内蒙古赤峰人，讲师，博士，主要从事材料力学的研究

复材

第１期崔海坡等：复合材料机匣冲击后的力学性能分析

出的复合材料结构冲击损伤及剩余强度全程分析方法和三维逐渐累积损伤模型［３］，对国内某型复合材料发动机机匣在冲击载荷及冲击后静载工况下的力学性能进行了研究，分析了不同冲击能量对机匣结构的影响规律，为更有效地进行机匣结构的抗冲击设计提供一定的指导．

１

理论分析

本文的理论分析采用了作者以前提出的全程

分析方法嘲，该方法将冲击后层合结构的实际损伤状态直接作为静强度分析的初始状态，不对冲击后层合结构的损伤状态做人为假设，且在全程分析中应用了三维逐渐累积损伤分析模型，该模型包括两部分：应力分析和失效分析．通常应力分析都采用有限单元分析技术，对复合材料层合结构而言，其应力分析的基础是经典层合板理论，本文采用了ＡＮＳＹＳ软件对复合材料机匣进行应力分析．失效分析主要包括失效准则和参数退化两部分．

１．１失效准则

１．１．１

冲击损伤失效准则

Ｈｏｕ等ｎ］在前人研究基础上，提出了包括基体开裂、基体挤压破坏、层间分层和纤维断裂等四种复合材料层合结构主要破坏模式的冲击损伤失效判据，并与试验结果进行了比较，验证了其合理性，故本文采用了Ｈｏｕ的冲击损伤失效准则，如下所示：

基体开裂（眈≥ｏ）

ｅ备一（置）＋（受）＋（东户 ㈤

基体挤压破坏（钇＜０）

仁丢（蛩）２＋急一琶＋（爨）２≥

（２）

分层（％≥Ｏ）

牡（曩）＋（嚣）＋（蚤）≥ ㈣

纤维断裂

牡（鬟）２＋（华户 ㈤

式中鳓为各单元与材料主方向对应的应力分量，Ｓ。为单层板的剪切强度，Ｘ。，×和ｚ。分别为单层板沿Ｘ，ｙ，Ｚ方向的拉伸强度，ｙ。为单层板沿ｙ方向的压缩强度．

１．１．２

冲击后静载荷下的失效准则

纤维增强复合材料层合结构在静载荷下的破坏模式主要有四种：基体开裂、基纤剪切、分层和纤维断裂．Ｔｓｅｒｐｅｓ等口１提出了包括上述四种主要破坏模式的三维逐渐损伤模型并将其用于接头的逐渐损伤分析，本文将其扩展应用于含初始冲击损伤的复合材料机匣结构，各种破坏模式对应的失效准则如下：

基体开裂

（置）＋（爨）＋（爨）≥

㈤

基纤

期㈤

姚堕Ｋ＋

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２—２堕％

３—３

分层

＼＋

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３—３

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纤维

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１．２参数退化

单元发生破坏后，该单元的刚度将发生变化，应力在各单元中的分布也随之改变．Ｈｏｕ［４１在对层合结构的冲击过程进行分析时，选择了以应力退化作为更新策略，这种方式不能反映出材料本身性能的退化．髓ｎ［６３把由不同损伤模式引起的材料刚度下降用不同的损伤内状态变量来表示，同时通过大量的试验研 …… 此处隐藏：4897字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……