碳纤维复合材料层合板受聚能切割索爆炸冲击破坏特性研究

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线式爆炸分离装置是广泛应用于航天器的关键部件,目前其结构中的分离板材料主要为合金铝,复合材料比金属材料拥有更高的比强度和比刚度且生产加工工艺愈加成熟,是分离板的潜在可替代材料。但是层合板对冲击的响应明显不同于金属材料,一般会对层合板造成层内和层间损伤,如:纤维断裂、基体破坏、纤维与基体脱粘、层间分层等,这将导致结构承载能力和结构使用寿命的大幅下降,对结构的安全使用构成潜在的威胁,而这些尚知之甚少。深入开展对复合材料层合板的冲击响应研究,无论对于探究层合板受高速冲击破坏特性还是设计新型线式爆炸分离装置均具有重要的学术意义和应用价值。  本文在调研得到碳纤维层合板的材料参数的基础上,通过设计的层合板层间剪切和层间拉伸试验对材料参数做了进一步补充。随后进行了层合板受聚能切割索爆炸冲击试验,得到了层合板对爆炸切割的响应结果。与此同时采用DISAR激光干涉测速仪对层合板表面特征点速度进行监测,为层合板受聚能切割索爆炸冲击数值仿真提供了依据。  其次,利用ANSYS/LS-DYNA动力学有限元计算程序,开展了层合板受聚能切割索爆炸冲击分层规律研究。采用薄壳单元与固连接触算法相结合进行分层建模的方式建立了复合材料层合板受聚能切割索爆炸冲击的有限元模型。采用薄壳单元的失效模拟层合板的层内破坏,通过定义各子层之间的固连接触来模拟各子层之间的相互作用。数值仿真结果展示了层合板受爆炸冲击的破坏过程,并通过对层合板表面特征点速度历史的仿真结果和试验数据的对比显示,仿真结果及DISAR激光干涉测速仪的速度历史曲线走势基本一致,大小误差亦在合理范围之内,从而验证了本文仿真方法的可行性。  本文最后基于所建立的有限元数值仿真模型,通过参数差异化设计了多种工况,研究了不同材料参数及结构参数对层合板在响应过程中分层程度的影响。并通过进一步的数据分析得到了可快速评估层合板分层程度的工程化函数,经统计仿真结果验证了其可靠性,可为复合材料结构设计提供参考。
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