新型钛基-碳纤维层压板在冲击载荷下的动态响应与吸能机制

The titanium-based carbon-fibre/epoxy laminates (TI-CF FMLs) are hybrid materials made of alternating thin layers of Ti-6Al-4V alloys and plies of fibre reinforced composites. Due to their light weight, high strength/stiffness, and outstanding damage tolerance, the TI-CF FMLs have drawn a great attention in the area of aeroplanes, automobiles and infrastructures. However, the impact resistance of the TI-CF FMLs has attracted limited research. The associated damage mechanism as well as the energy absorption ability are still uncertain. Based on the use of experimental technique, theoretical analysis and numerical simulation, this project is to carry out the study of the dynamic response of the TI-CF FMLs when subjected to impact. Moreover, an optimization analysis will be performed for revealing the influence of metal type, metal thickness, fibre volume fraction, fibre direction, stacking sequence and number of layers on the overall behavior of the TI-CF FMLs. Results of this project are of great scientific significance for better understanding of the TI-CF FMLs and provide a theoretical guidance for their application.

钛基–碳纤维层压板具有轻质、高强、高模、高承载力以及优异的抗疲劳等特性，主要用于航空航天、机械工程和基础设施建设等领域。目前，关于钛基–碳纤维层压板的冲击动态响应和能量吸收机制尚不明确，影响其冲击防护性能的因素多且规律不完善，这些关键科学问题严重制约着钛基–碳纤维层压板的安全应用。为此，本项目提出一种新型钛基–碳纤维层压板，由Ti-6Al-4V钛合金、碳纤维和环氧树脂构成。拟通过冲击加载实验、理论分析和数值仿真相结合的方法，开展对该层压板的冲击动态响应与吸能机制研究，主要包括：分析钛基–碳纤维层压板在冲击载荷下的变形机制及失效模式；建立冲击动态响应理论分析模型，揭示其能量吸收机理；确定影响其抗冲击特性的主控因素（包括金属层类型、厚度、纤维层体积百分比、铺层方向、堆叠顺序及层数等）及影响规律，获得其优化设计方法。研究结果可为新型钛基–碳纤维层压板的研制与应用提供重要的理论依据和科学指导。

钛基–碳纤维层压板作为一种新型混杂复合材料，具有高强、高模、高承载力以及优异的抗疲劳等特性，并因其显著的减重优势，可使得结构从制造到使役成本上有着可观的缩减。项目基于钛基–碳纤维层压板在冲击力学性能方面的研究现状，指出该层压板的冲击动态响应和能量吸收机制尚不明确，影响其冲击防护性能的因素多且规律不完善，这些关键科学问题严重制约着钛基–碳纤维层压板的使役安全。因此，项目通过高速气枪弹道极限实验，考虑不同钛基–碳纤维层压板在145-500 m/s子弹冲击速度下的冲击动态响应，讨论了层压板的弹道极限速度（Ballistic limit, V50）、穿透阈值能量、最大变形和损伤面积等重要指标，获得了钛基–碳纤维层压板在不同冲击速度/能量下的冲击防护性能；项目同时考虑了金属层类型、厚度、纤维层体积百分比、铺层方向、堆叠顺序及层数等参数的影响，研究了十种层压板在同一冲击能量下的损伤/破坏模式和能量耗散机理；为克服试验研究的局限性，项目通过LS-DYNA建立了钛基-碳纤维层压板的非线性显式动力学有限元模型，在广度和深度上获得了层压板结构在冲击载荷下的内部破坏规律，具体包括金属层裂纹萌生、塑性变形，纤维层断裂失效、层内和层间分离，以及金属层与纤维层之间的界面分离等问题。通过运用经典层压理论、能量法和冲击动力学等理论分析方法，建立和完善了钛基–碳纤维层压板的冲击动力响应理论分析模型；揭示了金属层类型、厚度、纤维层体积百分比、铺层方向、堆叠顺序及层数等参数对钛基-碳纤维层压板冲击防护性能的影响方式，确定了影响钛基–碳纤维层压板抗冲击特性的主控因素及内在规律，实现了钛基–碳纤维层压板的优化设计。.本项目的研究成果为钛基–碳纤维层压板的研制提供重要理论依据，可为该层压板在各工程领域中的安全使役提供可靠科学指导，也可推动该新型层压板实现工业化和商业化。