中低速荷载作用下NOMEX蜂窝结构的塑性变形模式研究

中低速荷载作用下NOMEX蜂窝结构的塑性变形模式研究本文主要对蜂窝结构及其夹芯结构在准静态压缩荷载、子弹撞击荷载和落锤冲击荷载下的塑性动力响应进行了系统深入的实验和研究。首先,应用准静态压缩荷载研究了NOMEX蜂窝结构和铝蜂窝结构在加载过程中的塑性变形模式,从实验研究和理论分析两个方面展开了系统的工作,取得如下成果：实验研究发现,在准静态压缩荷载下孔径尺寸为4.76mm的NOMEX蜂窝结构和相同孔径尺寸的铝蜂窝结构的塑性变形均为屈曲重叠褶皱变形,而孔径尺寸为3.18mm的NOMEX蜂窝结构的变形则与上述变形完全不同,其在准静态压缩荷载下,在弹性变形阶段就因为整体失稳而破坏,丧失了承载能力。参数研究(包括蜂窝结构密度、蜂窝基体材料对蜂窝结构性能的影响)表明,密度的改变会彻底改变蜂窝结构的力学性能及变形模式,孔径尺寸为3.18mm的NOMEX蜂窝结构并没有孔洞材料特有的恒应力下产生大的塑性变形的受力特性,其荷载-位移曲线只有弹性阶段,而孔径尺寸为4.76mm的NOMEX蜂窝结构的荷载-位移曲线则三阶段明显,特别是平台区明显；相同孔径,不同材料的蜂窝结构荷载-位移曲线的线形基本相同,不同之处在于由基体材料不同引起的峰值应力以及平台应力大小,以及平台区线形的稳定性有略微的区别；增加了蒙皮成为蜂窝夹芯结构,与单纯的蜂窝结构的受力性能相比,峰值应力和芯层的屈服应力显著增大,说明蒙皮对蜂窝夹芯结构承载压力有重要的作用,显示出蜂窝夹芯结构以高强度、高吸能性兼顾了蒙皮与蜂窝芯两种材料的优点。其次,本文进行了子弹撞击荷载下蜂窝夹芯结构的变形模式和落锤冲击荷载下蜂窝夹芯板的塑性变形模式的研究。实验采用子弹撞击的加载方式,对NOMEX蜂窝夹芯梁施加大小不同的冲量,使用激光位移传感器测量每个试件后蒙皮的变形位移。发现：前蒙皮的变形主要表现为子弹作用区域的压入变形和整体变形,其失效模式为压入式失效,芯层的变形分为折叠区、部分折叠区和非折叠区,芯层的失效为折叠区和非折叠区之间的剪切失效,后蒙皮的变形为整体变形,呈现穹形。参数研究(包括冲量大小和蒙皮厚度对蜂窝夹芯结构变形／失效的影响)表明,相同材料参数的蜂窝夹芯梁试件,后蒙皮的位移随着冲量的增大而增大；芯层材料和厚度相同,蒙皮厚度不同的蜂窝夹芯梁,随着蒙皮厚度的增加,其抵抗冲击的能力增强,后蒙皮的位移减小。文中计算分析了蒙皮与芯层的吸能性,计算得出在撞击过程中芯层吸收了50%左右的能量,且冲量越大,芯层吸能率越高,冲击速度达到100m/s以上时,芯层吸收的能量占到90%以上。实验结果表明,蜂窝夹芯结构适用于高速冲击工况下,并且适当增加蒙皮的厚度,有助于提高其抵抗冲击的能力。通过落锤加载实验机对玻璃纤维增强蜂窝夹芯复合板施加低速冲击荷载,研究其塑性变形模式以及落锤能量和落锤压入试件深度的关系。在落锤冲击荷载下,边界条件为空心、固边支撑的试件其上蒙皮的变形为压入变形,其失效模式为纤维断裂失效,芯层的变形同样分为折叠区、部分折叠区和非折叠区,芯层的失效为折叠区和非折叠区之间的剪切失效,后蒙皮的变形为整体变形,呈现穹形。但是对于边界条件为刚性、固边支撑的试件,其前蒙皮的变形同样为压入变形,失效同样为纤维断裂失效,但其芯层的变形只分为两部分折叠区和非折叠区,也就是说对于芯层来说,变形区域集中在落锤作用区域,并且其后蒙皮基本没有变形。比较蒙皮厚度不同,但边界条件均为刚性