CN113681999A - 一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，包括上面板和下面板，上面板和下面板之间固定有波纹夹芯，波纹夹芯中部固定有水平加强筋，所述水平加强筋厚度低于波纹夹芯的厚度。本发明结构简单、质量轻、加工过程简易，可显著提高波纹夹芯夹层复合材料结构的力学性能，保障运载装备中核心结构与乘员的安全；同时还详细地揭示了改进的波纹夹芯夹层复合材料结构产生的耦合变形机理对结构吸能效率提升的重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天、车辆工程和轨道交通结构设计领域，具体涉及一种基于耦合变形失效机理改进的波纹夹芯夹层复合材料结构。
背景技术
波纹夹芯夹层复合材料结构是由上下两层高强度的碳纤维面板和轻质量的金属波纹夹芯组成，相比于传统的复合材料层合板结构具有减振、比强度高、比吸能高和可设计性高等优点。因此，夹层复合材料结构有更大的应用潜力，对航空航天安全和军工装备防护等具有重要意义。然而，传统的波纹夹芯夹层复合材料结构中波纹夹芯的变形失效模式较单一，较多的材料未被充分利用，导致材料失效耗能不充分、结构吸能效率较低，已无法满足各领域对夹层复合材料结构力学性能和轻量化等越来越高的要求。为了更好地实现结构质量最小化并提高结构吸能效率来保障装备中核心部件与乘员的安全，如何诱导特定的夹芯变形失效模式，来充分利用夹芯材料耗散能量成为了本技术领域关键的问题。因此，有必要提供一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构来解决上述问题。
发明内容
本发明针对现有技术中传统波纹夹芯夹层复合材料结构存在的上述不足，提出了一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其结构简单、质量轻、加工过程简易，可显著提高波纹夹芯夹层复合材料结构的力学性能，保障装备中核心结构与乘员的安全；同时还详细地揭示了改进的波纹夹芯夹层复合材料结构产生的耦合变形机理对结构吸能效率提升的重要作用。
本发明的技术方案：
一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，包括上面板和下面板，上面板和下面板之间固定有波纹夹芯，波纹夹芯中部固定有水平加强筋，所述水平加强筋的厚度为0.1mm-1mm且不高于波纹夹芯的厚度。
进一步的改进，所述波纹夹芯的顶部通过上粘接界面与上面板粘结固定连接，底部通过下粘接界面与下面板粘结固定。
进一步的改进，所述上面板和下面板均为碳纤维复合材料层合板。
进一步的改进，所述碳纤维复合材料层合板包括单向复合材料层合板和编织复合材料层合板；所述碳纤维复合材料层合板为4～20层。
进一步的改进，所述上面板和下面板的总厚度取值范围为1～6mm。
进一步的改进，所述波纹夹芯和水平加强筋均由轻质薄壁金属材料制成。
进一步的改进，所述轻质薄壁金属材料为铝材。
进一步的改进，所述波纹夹芯的形状为梯形波纹状、锯齿形波纹状或正弦形波纹状；波纹夹芯的波数为2～20个。
进一步的改进，所述波纹夹芯上每个波的水平加强筋7为1～5个。
进一步的改进，所述波纹夹芯高度方向的正中位置固定有水平加强筋，波纹夹芯与水平加强筋一体成形或焊接固定；波纹夹芯进行喷砂表面处理。
与传统的波纹夹芯夹层复合材料结构相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提出的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构可产生耦合变形失效模式，充分地发挥了夹芯材料的吸能效率，不仅在吸能性能上保持甚至优于传统的波纹夹芯夹层复合材料结构设计，而且还实现了结构轻量化设计、提高了结构的抗弯曲性能等目的。
(2)本发明提出的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构产生的耦合变形失效模式归功于嵌入的水平加强筋，这种水平加强筋质量轻、结构简单、加工过程简易、制造成本低、可设计性高，还能在加载过程中与波纹夹芯一同形成耦合吸能作用。
(3)本发明提出的基于耦合变形失效机理的加强筋结构设计方法能够很好地解决传统波纹夹芯变形模式单一导致的材料耗散能量不充分的问题，在引入轻质量加强筋结构的情况下仍然具有更高的比吸能效率。此外，该加强筋结构设计方法提高了波纹夹芯夹层复合材料结构的可设计性，通过合理的参数设计可满足夹层结构不同力学性能的设计需求。
附图说明
图1a是本发明所述一种基于耦合失效变形机理的波纹夹芯夹层复合材料结构示意图；
图1b是未改进(传统)的波纹夹芯夹层复合材料结构示意图；
图2是本发明所述改进的梯形波纹夹芯结构示意图；
图3是本发明所述改进的锯齿形波纹夹芯和正弦形波纹夹芯示意图；
图4揭示了本发明所述改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的耦合变形失效机理；
图5是本发明所述改进和未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的载荷-位移曲线；
图6a是本发明未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的最终变形失效模式；
图6b是本发明改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的最终变形失效模式；
图7是本发明所述改进和未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的吸能-位移曲线；
图8对比了本发明所述改进和未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构中子部件的内能(An和Bn指的是内能值)；
图9对比了本发明所述未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构、基于0.5mm厚的加强筋改进的波纹夹芯夹层复合材料结构I和基于0.25mm厚的加强筋改进的波纹夹芯夹层复合材料结构II在三点弯曲载荷下的比吸能。
图中：
1、上面板；2、波纹夹芯；3、下面板；4、上粘接界面；5、下粘接界面；7、水平加强筋。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请结合附图1-9，本发明提供一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，包括上面板1、波纹夹芯2、下面板3、上粘接界面4、下粘接界面5。所述波纹夹芯2上固定有水平加强筋7；所述水平加强筋7位于波纹夹芯2中，通过连接技术成为一体化结构；碳纤维上面板1与波纹夹芯2通过胶粘方法粘结，其间形成上粘接界面4；碳纤维上面板2与波纹夹芯2同样也通过胶粘方法粘结，其间形成下粘接界面5。
上面板1和下面板3通过碳纤维树脂基单向或编织复合材料层合板制成；所述上粘接界面4与下粘接界面5通过环氧树脂固化而成。对于所述波纹夹芯2中粘接区域，首先采用喷砂表面处理技术使所述波纹夹芯2与所述碳纤维上面板1和碳纤维下面板3的接触面变粗糙，然后采用基于丙酮或无水乙醇与少量树脂的混合溶液预涂于所述波纹夹芯2、碳纤维上下面板1和3的表面；通过丙酮或无水乙醇提高树脂的流动性来填充表面孔洞，进一步提高界面粘接性能(此技术为树脂预涂层法)。
碳纤维具有较高的刚度、强度和吸能特性等，碳纤维上面板1和碳纤维下面板3可考虑适中层数(4～20层)，足够层数的碳纤维上面板1起到了夹层复合材料结构的主要承载作用；所述波纹夹芯2由轻质铝材制成，其形状采用梯形波纹状、锯齿形波纹状、正弦形波纹状等，如图3所示；在嵌入所述水平加强筋7后均能使梯形波纹状、锯齿形波纹状和正弦形波纹状产生相似的耦合变形失效并提高其力学性能；梯形波纹夹芯和锯齿波纹夹芯中斜面与水平面夹角范围在0°～90°之间，正弦波纹夹芯的幅值可变；所述波纹夹芯2中所述水平加强筋7的厚度不宜过高，只需要满足能改变所述传统的波纹夹芯6的变形失效模式即可，一般小于或等于所述传统的波纹夹芯6的厚度；所述波纹夹芯2的波数根据需求选定，可为2～20个；所述水平加强筋7的位置尽可能地居中，能保证所述波纹夹芯2产生对称的变形失效模式；在采用多个水平加强筋时，应在所述碳纤维上面板1和所述碳纤维下面板3之间等距离设置。
以碳纤维作为面板材料和铝材作为改进波纹夹芯材料的组合，可以起到优势互补，相辅相成的作用，提供良好的结构弯曲抵抗性能和吸能性能。
所述一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构的典型三点弯曲变形失效特性如下：
(1)首先，所述上粘接界面4发生脱胶；(2)然后，所述碳纤维上面板1的主要破坏模式为层内分层、纤维和基体压缩破坏，优先于所述碳纤维下面板3的破坏；(3)所述波纹夹芯2连续发生塑性变形，且局部多处由于弯曲导致的塑性铰链变形，同时所述水平加强筋7局部多处发生拉伸变形和压缩变形；(4)最后，所述碳纤维下面板3的主要破坏模式为层间分层、纤维和基体拉伸破坏。
本发明所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构的吸能主要由夹芯结构变形耗散能量决定。为此，本发明还揭示了一种上述改进的波纹夹芯夹层复合材料结构产生的特定耦合变形失效机理，该耦合变形失效机理对改进的波纹夹芯夹层复合材料结构的吸能提升有重要作用，如图4所示：
(1)未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的变形失效模式单一。单胞夹芯在加载挠度δ下的主要变形失效模式为朝向区域B的外凸变形，弯曲塑性变形导致变形与未变形后的斜壁夹角为θ1。
(2)改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的变形失效模式复杂，并伴随着耦合变形作用。单胞夹芯在加载挠度δ下，区域A中水平加强筋以上的夹芯斜壁的主要变形失效模式为内凹弯曲变形，在夹芯斜壁与水平加强筋的交点a和b处表现为外凸弯曲变形；在弯曲变形的作用下，两交点a和b分别向内移动到a’和b’，其中水平位移为△μ1/2；因此，区域A中的水平加强筋表现为压缩变形失效。类似地，区域B中夹芯斜壁与水平加强筋的交点b和c分别向外移动△μ2/2至b’和c’处，因此区域B中的水平加强筋产生拉伸变形失效。水平加强筋与未变形的夹芯斜壁的夹角为θ0；由于交点b和c受水平加强筋的约束作用，水平加强筋与变形后的夹芯斜壁的夹角会减少某一角度△θ，进而耗散更多的能量。此外，碳纤维上面板还会发生一定程度的变形耗能。
从以上分析中，说明了水平加强筋能诱导波纹夹芯产生如图4所示相对更复杂的变形失效模式，可耗散更多的能量；反之，波纹夹芯的内凹弯曲变形诱导了水平加强筋产生区域A内的压缩变形失效和区域B内的拉伸变形失效、以及部分夹角的角度变化，同样也对结构总能量耗散的提升有显著的作用。波纹夹芯和水平加强筋等子部件之间产生的耦合变形失效作用为波纹夹芯夹层复合材料结构提供了额外的吸能。
实施例1：
本实施例中提供了一种基于耦合变形失效机理的波纹(梯形波纹状)夹芯夹层复合材料结构的尺寸。波纹夹芯2的波数为3个，碳纤维上面板1、波纹夹芯2和碳纤维下面板3的总长均为300mm，总宽为96mm，总高为12.85mm，水平加强筋7的高度为6.43mm，碳纤维上面板1和碳纤维下面板3采用单向纤维T700/3234复合材料铺层，铺层方式为[0°/90°/0°/90°]s，平均厚度为1mm，波纹夹芯2包括水平加强筋7的厚度为0.5mm。在梯形波纹夹芯单胞中，斜面与水平面夹角为55°，上底长为7mm，下底长为25mm。
本说明书通过有限元模拟的方法来对比了改进与未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构的典型力学参数，包括载荷-位移曲线、吸能-位移曲线、变形模式和比吸能，如图5-9所示。从图5中可看出，水平加强筋7对波纹夹芯夹层复合材料结构的弹性变形阶段基本无影响。当碳纤维上面板1发生破坏后(弹性阶段后)，改进的波纹夹芯夹层复合材料结构对应的弯曲载荷只有轻微的降低，但是远远高出未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构对应的弯曲载荷。因此，前者具有更高的后承载能力，这归功于水平加强筋7的增强作用。从图6中可看出，简单有效的水平加强筋7改变了传统的波纹夹芯6和碳纤维上面板1的变形失效模式，提高了波纹夹芯夹层复合材料结构的后承载能力；反之，水平加强筋7同样在波纹夹芯变形的作用下产生压缩和拉伸变形失效。因此，说明水平加强筋7对其余子结构产生了耦合变形失效作用。
通过分析子部件的内能变化关系可清晰地说明耦合变形失效作用对吸能的重要影响，如图8所示：
(1)关系一：A1<B1-B3，指的是改进的波纹夹芯除去水平加强筋自身吸收的能量后仍然明显高于未改进的波纹夹芯吸收的能量，说明了水平加强筋提高了波纹夹芯的吸能；
(2)关系二：A2<B2，指的是碳纤维面板在水平加强筋的作用下也提高了一定的吸能；
(3)关系三：A2/2≥B3，指的是水平加强筋的吸能甚至可能接近于碳纤维上下面板的平均吸能；
(4)关系四：A1+A2<B1+B2-B3，指的是改进的波纹夹芯夹层复合材料结构的总吸能除去水平加强筋自身吸收的能量后远远高出未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构的总吸能，说明了水平加强筋对整体夹层结构吸能提升的总贡献。
考虑到水平加强筋7引入质量对结构轻量化影响的问题，图9对比了所述未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构、基于0.5mm厚的加强筋改进的波纹夹芯夹层复合材料结构I和基于0.25mm厚的加强筋改进的波纹夹芯夹层复合材料结构II在三点弯曲载荷下的比吸能。从该图中可看出，本发明提出的一种基于耦合变形失效机理改进的波纹夹芯夹层复合材料结构的比吸能提高了20.58％以上；并且，在减少水平加强筋7的厚度时可降低结构质量，能更大程度地提高夹层结构的比吸能(23.83％)。
本实施例中，本发明提出的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构中仅引入了轻质、简单、易加工的加强筋结构，就明显地提高了夹层结构的弯曲抵抗能力；最突出的特点是夹层结构的比吸能得到了较大提升；该加强筋结构的设计方法提高了波纹夹芯夹层复合材料结构的可设计性，通过合理的参数设计可满足夹层结构不同力学性能的设计需求。
以上所述，仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当了解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，包括上面板(1)和下面板(3)，上面板(1)和下面板(3)之间固定有波纹夹芯(2)，波纹夹芯(2)中部固定有水平加强筋(7)，所述水平加强筋(7)的厚度为0.1mm-1mm且不高于波纹夹芯(2)的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述波纹夹芯(2)的顶部通过上粘接界面(4)与上面板(1)粘结固定连接，底部通过下粘接界面(5)与下面板(3)粘结固定。
3.根据权利要求1所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述上面板(1)和下面板(3)均为碳纤维复合材料层合板。
4.根据权利要求3所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述碳纤维复合材料层合板包括单向复合材料层合板和编织复合材料层合板；所述碳纤维复合材料层合板为4～20层。
5.根据权利要求3所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述上面板(1)和下面板(3)的总厚度取值范围为1～6mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述波纹夹芯(2)和水平加强筋(7)均由轻质薄壁金属材料制成。
7.根据权利要求6所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述轻质薄壁金属材料为铝材。
8.根据权利要求6所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述波纹夹芯(2)的形状为梯形波纹状、锯齿形波纹状或正弦形波纹状；波纹夹芯的波数为2～20个。
9.根据权利要求6所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述波纹夹芯(2)上每个波的水平加强筋(7)为1～5个。
10.根据权利要求1所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述波纹夹芯(2)高度方向的正中位置固定有水平加强筋(7)，波纹夹芯(2)与水平加强筋(7)一体成形或焊接固定；波纹夹芯(2)进行喷砂表面处理。
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