碳纤增强类蜂窝褶皱夹芯结构力学性能研究

Due to the characterics with high specific ratio of toughness/stiffness, crashworthiness, corrosion resistance as well as being apt to be multi-functionally integrated, the CFRP sandwich structure with folded core has been identified to possess a widely promising application in aerospace field. However, few investigation concern on the preparation and mechanical performance of structure even in the academic field of European and American. Until recently, theme concerning on this subject just start. The aim of this project is to develop a novel type of CFRP sandwich structure with honeycomb-inspired cores, the preparation method, mechanical responds and failure mechanism for the structure under static and dynamic loadings will be investigated. The inherent relations between the macromechanical responds of whole structure and the parameters of CRFP prepreg of laying-up and configuration of core will be revealed. The project conclusions are anticipated to be beneficial for the aspect of choosing alternative structural materials for the next generation flight vehicle in the future.

碳纤增强褶皱夹芯结构作为集轻质高强韧、抗冲击耐腐蚀、易于多功能化集成等特点的一种新型结构，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。国际上针对该类结构的制备和力学特性的研究还处于起步阶段，是欧美发达国家竞相研发的热点课题之一。本项目以碳纤增强复合材料为基材，以类似于蜂窝状褶皱结构为芯子，设计制备一种新型全复合材料夹芯结构，并对其静、动态力学响应特性进行研究。研究内容包括：以工程应用为背景，探索褶皱芯子的成型工艺和制备方法；以力学理论、实验与数值模拟相结合的方法，从材料微观/细观形态着手系统研究该结构在静、动态载荷下的力学行为及其损伤失效机理；揭示碳纤增强类蜂窝褶皱芯子的二维铺设参数、三维拓扑构型参数与夹芯结构宏观力学响应之间的内在关联机制;给出该种夹芯结构设计制备及评价方法，为我国未来高性能空天飞行器制造过程中新一代结构材料的选用提供科学的参考依据和技术储备。

碳纤维增强褶皱夹芯结构作为集轻质高强韧、抗冲击耐腐蚀、易于多功能集成等特点于一体的新型结构，在航空航天、高端运送装备等领域有着广阔的应用前景。本项目以研发具有碳纤维复合材料褶皱构型芯子的轻质夹芯结构为目标，采用设计、制备、试验等方法，开发出新型褶皱夹芯结构。通过探索成型制备方法、结构优化设计并对其力学性能开展综合研究，制备出力学性能优异的复合材料褶皱芯子夹芯结构，研究成果可为航天航空飞行器及高端运送装备材料的设计制造提供理论依据及技术储备。本项目主要研究成果包括：围绕褶皱结构概念，提出了V型、M型以及Oliver型褶皱芯子的夹芯结构，给出了采用碳纤维预浸料制备褶皱夹芯结构的成型工艺和方法；通过数值模拟与实验验证揭示了纤维铺设角度以及V型褶皱构型几何参数的变化对其褶皱夹芯结构的宏观力学性能的影响规律；基于能量原理及等效理论推到出褶皱整体结构的模量与强度解析表达式；研究了碳纤增强褶皱结构板在静态/动态载荷下的力学响应、损伤破环机理以及振动特性。此外初步探索了制备弧形褶皱芯子的制备成型方法及轴向载荷下的力学性能。通过上述研究从设计理论与实验验证了采用碳纤维复合材料制备以褶皱构型为芯子的新型夹芯承力结构的可行性，拓展了碳纤维复合材料在航天航空等领域中应用空间。