复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究毕业论文(编辑修改稿)

复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

模拟以及增强技术等。 随着计算机分析软件的发展，用有限元分析软件来模拟预测夹层结构的破坏过程成为目前研究的一个热点方向，也具有及其重要的实用价值，如果能够正确 评估复合材料泡沫芯夹层结构的破坏，就可以为夹层结构的检修更换提供依据，也能为设计师提供参考数据，对于了解复合材料夹层结构的损伤容限很重要，所以具有较大的工程意义。 低能量冲击损伤是纤维增强复合材料在实际结构应用中经常遇到的主要损伤形式 [8]。 相对于中、高能量的冲击，低能量冲击损伤对复合材料结构件的危害更加致命。 高能量和中等能量的冲击可以在复合材料结构表面造成明显或易见的损伤，相对容易检测，并及时进行维修；低能量冲击往往导致结构产生目视不可检的内部损伤，复合材料结构表面没有损伤，或只有轻微的压痕，而内部已产生 大量的基体开裂和大面积的分层扩展，有时还伴有少量纤维断裂 [57]。 这些目视不可检的内部损伤将使层合板的力学性能严重退化，其结构剩余强度会大幅度下降，其中剩余压缩强度 (CAI)下降尤为显著，甚至达到 60％以上 [9]。 在日常飞机、船舶、汽车等维护检测时，低能量冲击损伤往往难以被及时发现、修理，从而引发突然事故，给它们安全留下致命的隐患。 此外，复合材料结构低能量冲击损伤后的剩余强度评估、疲劳寿命分析，以及结构的日常检测维护与损伤修复等问题，也都要在此基础上进一步展开深入的研究工作。 因此，研究复合材料夹层结构的低 能量冲击损伤问题具有重要的理论价值和现实意义。 国内外 相关 研究 进展 复合材料的冲击损伤研究开始与上世纪七十年代，在八十年代逐步得到发展 [13]。 至今，已有许多研究者针对复合材料低能量冲击损伤问题进行了研究，并取得了一定的进展。 不少研究者提高耐冲击性能的主要措施是通过对填料的选择和表面进行改性来提高复合材料抗冲击性能。 填料改性是对表面性质进行优化，赋予其新的功能，开拓新的应用领域，提高工业价值和附加值的重要技术手段之一 【 10】。 填料改性是为了改变填料表面原有的性质（亲油性、吸油率、浸润性、混合物 粘度等），改善矿物填料与有机聚合物的相容性以及加工流动性，提高填料／树脂相界面之间的结合力，促进复合材料物理机械性能的提高，使非功能填料转变为功能填料。 提高增韧不饱和聚酯树脂的综合性能，使不饱和聚酯树脂增韧朝着功能化、精细化、高性能化的方向发展，一直是不饱和聚酯树脂增韧研究的主要方向。 增韧改性途径：改南昌航空大学学士学位论文 12 变不饱和聚酯树脂的化学结构有其局限性；弹性体增韧虽然可以提高冲击强度，但其它性能如拉伸强度、弯曲强度、耐热性能有所下降，这两种改性途径存在的缺陷，使不饱和聚酯树脂增韧改性的发展受到一定影响。 无机物特别是纳米材 料增韧，不仅起到增强增韧的效果，并且还可改善不饱和树脂聚酯耐磨、水、酸碱等性能；互穿聚合物网络 (IPN)[11]的增韧是不饱和聚酯树脂增韧新的较有效的方法，它可增加基体与添加相之间的作用力和相容性，不仅有利于增韧，还赋予不饱和聚酯树脂其它优异性能，这两种改性途径是不饱和聚酯增韧发展趋势。 不饱和树脂属热固性树脂，需在固化剂的作用下形成交联网状结构才能获得其特有性能。 但在固化交联时，因体积收缩会产生收缩应力和不同材料热膨胀系数之差而产生热应力 【 12】。 这些内应力往往被束缚在树脂与填料界面上，导致固化物内部产 生微裂纹，使得不饱和树脂固化物的抗冲击性能变差，耐热冲击和断裂韧性降低。 因此，消除不饱和树脂固化物的内应力，提高产品的韧性和抗开裂性能，已成为该领域的研究热点。 国内外许多高分子材料专家一直在致力于不饱和树脂改性的研究，并已取得显著的成果，相继开发出许多用于改性不饱和树脂的改性剂产品，已成为改性不饱和树脂的主要手段。 复合材料泡沫夹层结构是飞行器、船舶工业、汽车工业等常用的结构形式，但由于夹层结构的层间性能和抵抗低速冲击性能较弱，在低速冲击载荷的作用下，会造成面板基体开裂和纤维断裂、夹芯压塌、面板和芯材间的界 面脱胶等多种失效，导致夹层结构承载能力的下降。 通过对复合材料泡沫夹层结构的低速冲击及冲击后含损伤的夹层结构在压缩载荷作用下损伤扩展的全过程进行模拟研究，预测分析夹层结构低速冲击后的剩余压缩强度。 冲击损伤的剩余强度问题，是目前复合材料损伤容限研究领域中，最为人们关注的研究课题。 人们对冲击后剩余强度的研究主要基于 4 种方法：（ 1）软化夹杂法，即将冲击损伤等效为规则形状的软化夹杂，然后采用基于各种破坏准则的点应为或平均应力判据确定板的失效强度；（ 2）子层屈曲法，将冲击损伤看做大小不同的多个规则形状的分层，认为压缩破 坏过程是各个子层不断发生屈曲失效的过程，当所有的子层都屈曲时，层板发生破坏；（ 3）开口等效法，用一个圆孔或椭圆孔取代冲击损伤，之后用孔断裂韧性判据来判断板的破坏；（ 4）损伤累积法，利用动态有限计算层板的冲击损伤的刚度下降，作为板的初试损伤，用损伤累积法模拟板的压缩破坏过程，并计算剩余压缩强度。 研究发现夹层结构的损伤尺寸随冲击能量的增加而增大，残余凹痕深度也随之增加，而其剩余压缩强度随着冲击能量的增加而降低。 正确评估复合材料泡沫夹层结构的破坏，就可以为夹层机构的检修和更换提供依据，也能为设计师提供参考数据，对 于了解复合材料夹层结构的损伤容限很重要，为泡沫夹层结构的研究和应用提供了有效方法。 南昌航空大学学士学位论文 13 研究内容 本课题主要研究内容： （ 1）以不饱和聚酯树脂为基体材料、玻璃纤维为增强材料，采用手糊成型工艺制备复合材料面板，以聚氨酯泡沫塑料为夹芯，制备复合材料泡沫夹层结构试样； （ 2）采用落球式冲击试验仪测试试样的冲击性能； （ 3）采用万能试验机测试冲击后试样的压缩强度； （ 4）分析不同规格复合材料泡沫夹层结构试样的破坏机理； （ 5）制备具有良好耐冲击性能的复合材料泡沫夹层结构试样。 南昌航空大学学士学位论文 14 2 实验部分 实验仪器和原料 本实验中使用的实验仪器和药品分别列于 表 01 和 表 02 中。 表 01 实验仪器 仪器名称 型号 生产厂家 电子天平 YP20xx1 上海光正医疗仪器有限公司 微机控制电子万能试验机 WDW500 上海华龙测试仪 器有限公司 落锤式冲击试验机 自制 超声波探伤仪 CTS26 广东汕头超声电子股份有限公司 表 02 实验药品 材料名称 型号（规格） 生产厂家 不饱和聚酯树脂 191 南京永祥化工有限公司 过氧化甲乙酮 AR 南京永祥化工有限公司 环烷酸钴 AR 南京永祥化工有限公司 玻璃布 九江市江南玻璃纤维有限公司 甲基硅油 201（ CS） 杭州锴德化工有限公司 聚氨酯 A 组分 南京 永祥化工有限公司 聚氨酯 B 组分 南京永祥化工有限公司 复合材料泡沫夹层结构的制备 本实验制备不同规格的复合材料泡沫夹层结构，选取玻纤含量为 33%和玻纤含量为 25%两种玻纤含量不同的复合材料板，制备发泡率为 60%、 70%、 80%、 90%、100%的泡沫夹层结构，用复合材料板与聚氨酯 泡沫以不饱和树脂作为胶黏剂 制成多种不同的复合材料夹层结构试样。 制备硬质聚氨酯泡沫塑料的配方（以质量分数计）：蔗糖聚醚和聚醚二醇， 100；催化剂， ；发泡剂， 8；泡沫稳定剂， 2； PAPI， 115；玻璃微珠， 0~15。 在配方中，前 4 项称为 A 组分， PAPI 称为 B 组分。 南昌航空大学学士学位论文 15 由于树脂固化受外界温度的影响较大，实验 树脂 基体配比比例随温度变化而变化， 在本文研究进行过程中，结合工作环境的温度状态，经过大量凝胶实验确定了不饱和聚酯树脂的配方，如 表 23 所示。 表 23 不饱和聚酯树脂配方（质量份） 不饱和聚酯树脂 /g 引发剂（过氧化甲乙酮） /g 促进剂（环烷酸钴） /g 100 2 复合材料板手糊成型工艺流程如 图 01 所示： 图 01 手糊成型工艺流程示意图 将 复合材料板 试 样 与聚氨酯 泡沫以不饱和树脂作为胶黏剂 制成复合材料夹层结构试样。 本文制备复合材料泡沫夹层结构的具体工艺过程如下： （ 1）模具准备 将 500mm 500mm 4mm 玻璃平板表面擦洗干净、干燥，作为模具使用。 （ 2）玻璃布裁剪 根据 需要 ，用剪刀裁剪 300mm 300mm的玻璃布若干块。 （ 3）手糊成型操作 1）用裁剪好的脱模布平摊在玻璃平板上。 2）将 1 层玻璃布铺放在玻璃平板上。 后处理 试样 模具 清理 涂脱模剂 清理模具 玻璃纤维 剪裁 手糊成型 固化 脱模 树脂 固化剂 促进剂 树脂胶液配制 南昌航空大学学士学位论文 16 3）根据设计的层数、配方等，按设计配方将引发剂与不饱和聚酯树脂混合均匀，然后加入促进剂搅匀，马上淋浇在玻璃布上，并用毛刷压 实 ， 使树脂浸透玻璃布，观察不应有明显气泡。 4）铺放下一层玻璃布，并立即涂树脂；紧接着第二层、第三层，重复操作。 5）达到所需层数时 （ 6 层） ，手糊成型完成。 6）待其达到一定强度后才能脱模。 通常 15~25℃、 24h 即可脱模。 7）复合材料板脱模后，修理毛边。 复合材料板的厚度约为 2mm。 将玻纤层数改为 8 层，重复上述操作制作厚度约为 2mm的复合材料层合板。 硬质聚氨酯泡沫的具体制作工艺过程如下： （ 1） 模具的准备 将 240mm。