玻璃纤维增强铝合金层板的抗高速冲击性能研究

本文进行了玻璃纤维增强铝合金层板(glass laminate aluminum reinforced epoxy,GLARE)在平头子弹冲击下的高速冲击试验,采用ABAQUS有限元分析软件建立GLARE层板的高速冲击数值模型,研究其在高速冲击作用下的响应及损伤特性,在验证其有效性的基础上,预测了不同直径和不同材料属性的子弹冲击下GLARE层板的抗冲击特性,揭示子弹直径、材料属性和弹头形状对GLARE层板抗高速冲击性能的影响。结果表明:GLARE层板在高速冲击作用下表现出良好的抗冲击性能;弹头形状对GLARE层板抗高速冲击性能影响最大,其次是子弹材料属性,子弹直径对GLARE层板抗高速冲击性能的影响并不显著。

纤维增强铝合金层板的发展与应用

本文介绍了最新研制的一种新型结构材料——纤维增强铝合金层板,该层板已引起许多西方飞机制造厂的注意。该材料兼取了复合材料和铝合金的优点,克服了各自的一些缺点。最引人注目的性能是它所具有的极好的抗疲劳和损伤性能。通过改变材料的组成和工艺过程,可以得到不同性能,满足某些特殊的用途。本文介绍两种典型的材料构型——芳纶纤维增强铝合金层板(ARALL)和R-玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)的研究过程、材料组成、性能和应用。最后讨论了今后研究所需要解决的问题。

纤维增强铝合金层板在军用桥梁中的应用探索

军用桥梁综合性能的提升离不开新材料的运用。纤维增强铝合金层板是目前航空航天中普遍应用的一种新材料,它轻质高强的同时还具有抗冲击、耐疲劳、易加工的优点,综合性能优于传统的FRP材料。根据纤维增强铝合金层板在飞机制造中的应用现状,介绍了常用纤维增强铝合金层板的主要种类及性能,分析了该材料在提高军用桥梁抗冲击与耐疲劳性能以及降低桥梁构件制造成本上的应用优势,提出了应用中需要重点解决的问题,包括适用的军用桥梁结构形式、军用桥梁刚度、桥节单元纵向连接等。

玻璃纤维增强铝合金层板的裂纹扩展特性研究

针对玻璃纤维增强铝合金层板进行了等幅拉-拉疲劳试验,研究了含中心缺口玻璃纤维增强铝合金层板在疲劳载荷作用下的裂纹扩展和分层扩展机制。随裂纹长度增加,其疲劳裂纹扩展速率基本保持定值,分层与裂纹长度为线性关系。基于有限元模型进行数值计算,建立了等效应力强度因子方法,使用等效Paris公式对裂纹扩展速率进行预测,对比试验结果,吻合良好。这说明了该数值方法可用于预测纤维增强铝合金层合板的疲劳裂纹扩展。

纤维增强铝合金胶接层板的探索研究

本文初步探索了几种纤维增强铝合金胶接层板的成型工艺,并评定了这些层板的力学性能和抗分层性能。试验结果表明,纤维增强铝合金胶接层板确是一种具有优异耐疲劳性能和抗冲击性能的轻质、高强和高韧性的结构材料,并具有良好的抗分层能力;与基于芳纶纤维的层板相比,玻璃纤维基的层板具有更高的力学性能和更好的界面结合,但其拉伸模量较低。

玻璃纤维铝合金层板(FMLs)的疲劳损伤特性及S-N曲线

根据国内外标准和参考文献,针对玻璃纤维增强铝合金层板(FMLs)的特点设计出FMLs疲劳试验件,进行了不同载荷下的R=0.1等幅拉-拉疲劳试验。疲劳试验过程中FMLs最先在表面铝层内出现裂纹,随后表面铝层可见多条裂纹。随着循环载荷数的增加,裂纹不断扩展,并在界面出现分层现象,然后分层损伤快速扩展直至完全断裂破坏。测得了FMLs的疲劳裂纹起裂寿命和裂纹扩展寿命,给出了其疲劳寿命的规律性。得到了FMLs和同样厚度碳纤维复合材料CCF300的S-N曲线,并进行了对比。FMLs的疲劳寿命随载荷变化平缓,近似成对数趋势;在载荷大于400 MPa时FMLs的疲劳寿命与CCF300碳纤维复合材料层板相当;当疲劳载荷最大值低于300 MPa,FMLs的疲劳寿命比CCF300复材板要低。为飞机结构设计师们提供了材料基础性能和信息。

纤维金属层板在飞机制造中的应用及工艺性分析

金属基复合材料对飞机强度性能,抗疲劳、抗温、抗蚀、减重等能力上都比一般材料好,但造价较贵,工艺较为复杂,使用上受到一定限制。纤维金属层板在飞机结构上使用的基本是芳纶纤维增强铝合金层板(ARALL)、玻璃纤维增强铝合金层板(Glare)和碳纤维增强钛合金层板(TiGr)3种。但由于剥离强度较低,断裂韧性差,使飞机寿命受到影响,ARALL在飞机上的使用受到限制,大的民航客机上用得很少。后来新的金属基复合材料层板开发出来,就逐渐被代替了。而其中的Glare相对来说却是比较实用的,而且已经国产化。TiGr开始主要是结合航天尤其是火箭燃料箱需要而开发的,现已经推广到飞机上使用。本文对纤维金属层板在飞机结构中的应用进行了阐述,并对其工艺性进行了一般分析。

纤维金属层板成形极限测试的新试样设计

在拉深成形过程中,纤维金属层板常见的失效模式主要有起皱、纤维拉伸断裂以及界面分层。受金属拉深成形测试的启发,经研究,当纤维金属层板以纤维拉伸断裂与界面分层失效为主要的失效模式时,可以将纤维应变引入到成形极限图中。但是,由于用于拉深测试的传统金属条状试样形状会干扰纤维金属层板内纤维应变的计算,因此,本研究设计了一种新型切槽形状试样。通过对比传统的条状试样和新型切槽试样的成形试验以考察玻璃纤维/聚酰胺树脂(Gf/PA)复合材料-铝合金层板的成形性能。研究结果表明:所设计的新型切槽试样可以将纤维计算的应变水平控制在6%以内,通过对不同纤维应变区间的分类,可以明显地区分出层板拉深成形的破坏形式是纤维拉伸断裂或者界面分层。研究得出,切槽试样的成形极限图包含3个区域:成形安全区-纤维拉伸断裂区-界面分层区。除此之外,切槽试样获得的成形极限曲线可以将变形演化与破坏机理结合起来,更有效地表征纤维金属层板的拉深成形性能。

拉-压加载下纤维增强铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应与预测模型

基于增量塑性损伤理论与纤维增强金属层板疲劳裂纹扩展唯象方法,推导出在拉-压循环加载下,纤维增强金属层板疲劳裂纹扩展速率预测模型。并通过玻璃纤维增强铝合金层板在应力比R=-1,-2的疲劳裂纹扩展实验对预测模型进行验证。结果表明,纤维增强铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应分为两种情况:在有效循环应力比RC>0时,表现为压载荷对铝合金层所承受残余拉应力的抵消作用;当RC<0时,表现为压载荷抵消残余拉应力后,对纤维增强铝合金层板金属层的塑性损伤,对疲劳裂纹扩展存在促进作用。纤维铝合金层板疲劳裂纹扩展的压载荷效应不可忽略,本文中得出的在拉-压循环加载下疲劳裂纹扩展速率预测模型与实验结果符合较好。

不同铺层结构GLARE层板弯曲失效机理的声发射研究

玻璃纤维增强铝合金(Glass Fiber Reinforced Aluminum,GLARE)层板是一种在航空工业中被广泛使用的混杂复合材料。本研究采用三点弯曲试验方法对其进行弯曲加载,同时利用声发射技术(Acoustics Emission,AE)对弯曲过程中层板的损伤行为进行实时监测,并基于多AE参数及K-means聚类方法探究了不同铺层结构GLARE层板的弯曲性能及失效机理。结果表明:铝合金的铺层位置对GLARE层板的弯曲性能有显著影响;最外层铝合金与复合材料层的变形协调作用可以有效延缓损伤的起始与演化。GLARE层板在弯曲失效过程中的损伤模式及对应的峰值频率为:0~50 kHz代表铝合金损伤,80~210 kHz代表基体开裂,210~320 kHz代表纤维剥离和界面分层,320~400 kHz代表纤维断裂。

玻璃纤维增强铝合金层板高速冲击损伤容限

为研究玻璃纤维增强铝合金(GLARE)层板高速冲击损伤容限,对单次、多次冲击载荷下GLARE层板的损伤特性进行了高速冲击试验和数值仿真研究。采用一级气体炮,在GLARE层板靶板的中心位置、边位置、角位置进行弹道冲击试验,获取弹道极限和损伤模式,然后结合数值仿真剖析动态响应特性。结果表明,弹道冲击条件下,GLARE层板主要通过塑性变形、金属层裂纹、脱胶、复合材料纤维脆断等损伤模式吸收冲击能量。边界约束效应对GLARE层板冲击损伤特性具有显著影响,主要表现在:约束效应导致不同位置冲击下GLARE层板损伤模式不同,包括成坑、金属裂纹和冲塞等特征;角位置冲击条件下,GLARE层板的弹道极限速度明显低于中心位置冲击结果;重复冲击条件下,角位置比与边位置和中心位置更容易发生穿透。

特征长度理论与含缺口ARALL层板分层损伤相关性的研究

本文研究了胶粘剂、胶粘剂含量及不同残余应力状态对含缺口ＡＲＡＬＬ层板的分层损伤的影响，并试图采用特征长度理论来描述不同缺口层板的分层状态。结果表明，运用源于密集能量区概念的特征长度理论可以定性地分析或半定量地描述ＡＲＡＬＬ缺口层板的分层损伤。

阳极氧化工艺对纤维-铝合金层板力学性能的影响

通过改变铝合金表面阳极氧化工艺参数,研究了阳极氧化电压和时间对玻璃纤维-铝合金(GLARE)层板抗拉强度和层间剪切强度的影响。通过SEM观察了铝合金表面Al2O3多孔膜和层板断面形貌,分析了铝合金/树脂胶接界面对层板力学性能的影响。结果表明,阳极氧化电压为20V时,GLARE层板抗拉强度和层间剪切强度随着阳极氧化时间延长而增大,在20min时出现最大值,继续延长阳极氧化时间,层板强度随之下降;阳极氧化时间为20min时,GLARE层板抗拉强度和层间剪切强度随着阳极氧化电压增大而增大,在20V时出现最大值,继续增大电压,强度随之下降。

玻璃纤维铝合金板低速冲击损伤演化数值模拟

编写了复合材料损伤的VUMAT子程序,并结合Johnson-Cook金属损伤模型和表面内聚力行为层间分层方法建立了玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)受落锤低速冲击的数值模型.分析了能量吸收、形变情况及锤头接触力的变化,并通过与实验结果的比较验证了有限元方法的可靠性.利用有限元方法能够更全面分析材料损伤变化的优势,模拟了GLARE三维渐进失效、铝合金层的失效以及纤维层和铝合金层界面分层的破坏模式.通过综合分析该三种渐进失效与能量吸收、形变情况及锤头接触力的变化,揭示了玻璃纤维增强铝合金层板受落锤低速冲击下的破坏机理,验证了铝合金层板的加入对于玻璃纤维增强铝合金层板抗冲击性能增强规律.

VIRALL复合板的振动阻尼特性

采用悬臂梁横向弯曲自由振动方法，研究了单向增强ＶＩＲＡＬＬ（ｖｉｎｙｌｏｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｕｍｌａｍｉｎａｔｅｓ）复合板及相应的单一铝合金板的振动阻尼性能．结果表明，前者的振动衰减系数高于后者．还发现ＶＩＲＡＬＬ复合板的阻尼性能受其纤维取向影响．