兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 240074-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0074
收稿日期:
2024-01-24
上线日期:
2025-02-28
通讯作者:
基金资助:
Received:
2024-01-24
Online:
2025-02-28
摘要:
为改善薄壁圆管的抗冲击与吸能性能,设计一种多孔阵列薄壁碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Composites,CFRP)管,研究其分别在轴向和横向冲击载荷下的抗冲击与吸能性能。基于有限元法建立CFRP多孔阵列薄壁管在冲击载荷作用下的有限元模型,并分析不同铺层角度对此结构的抗冲击与吸能性能的影响。数值分析结果表明:相比普通薄壁CFRP圆管和方管,在轴向和横向冲击载荷作用下,CFRP多孔阵列薄壁圆管有更高的比吸能和峰值载荷,而过高的峰值载荷对被保护的结构不利,但可通过改变CFRP的铺层角度而改变冲击峰值载荷和比吸能值;在轴向冲击载荷下,多孔阵列薄壁圆管铺层角度由[90°/45°/90°/0°]2S变为[90°/0°/90°/0°]2S时,有效压缩位移内的最大压缩载荷降低约10.1%,比吸能值提高约15.1%。研究结果将对CFRP薄壁管的轻量化和抗冲击性能提升的工程应用具有一定的指导意义。
中图分类号:
金跃, 缪馥星. 碳纤维增强复合材料多孔阵列薄壁圆管的抗冲击与吸能性能[J]. 兵工学报, 2025, 46(2): 240074-.
JIN Yue, MIAO Fuxing. Impact Resistance and Energy Absorption Properties of CFRP Thin-walled Circular Tube with Porous Arrays[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(2): 240074-.
几何参数 | d | l | h | j | p | t |
---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 70 | 110 | 2.5 | 0.75 | 0.75 | 0.156 |
表1 CFRP多孔阵列薄壁圆管几何尺寸
Table 1 Geometric parameters of CFRP thin-walled circular tube with porous array mm
几何参数 | d | l | h | j | p | t |
---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 70 | 110 | 2.5 | 0.75 | 0.75 | 0.156 |
模量/MPa | 泊松比 | 强度/MPa | 阻尼 系数 | 密度/ (g·cm-3) | |||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
E11 | E22 | E33 | G23 | G12 | G13 | u23 | u12 | u13 | XT | XC | YT | YC | ZT | ZC | S23 | S12 | S13 | β | ρ |
114000 | 8610 | 8610 | 3000 | 4160 | 4160 | 0.45 | 0.3 | 0.3 | 2688 | 1458 | 69.5 | 236 | 55.5 | 175 | 95.6 | 136 | 136 | 1E-9 | 1.51 |
表2 纤维材料参数[22]
Table 2 Composite material parameters[22]
模量/MPa | 泊松比 | 强度/MPa | 阻尼 系数 | 密度/ (g·cm-3) | |||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
E11 | E22 | E33 | G23 | G12 | G13 | u23 | u12 | u13 | XT | XC | YT | YC | ZT | ZC | S23 | S12 | S13 | β | ρ |
114000 | 8610 | 8610 | 3000 | 4160 | 4160 | 0.45 | 0.3 | 0.3 | 2688 | 1458 | 69.5 | 236 | 55.5 | 175 | 95.6 | 136 | 136 | 1E-9 | 1.51 |
模量/MPa | 强度/MPa | 断裂韧性/(J·m-2) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
En | Et | Es | Nmax | Tmax | Smax | GIC | GIIC | GIIIC |
57878 | 57878 | 37489 | 59.4 | 77 | 77 | 0.5544 | 2.8116 | 2.8116 |
表3 Cohesive单元参数[22]
Table 3 Cohesive element parameters[22]
模量/MPa | 强度/MPa | 断裂韧性/(J·m-2) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
En | Et | Es | Nmax | Tmax | Smax | GIC | GIIC | GIIIC |
57878 | 57878 | 37489 | 59.4 | 77 | 77 | 0.5544 | 2.8116 | 2.8116 |
吸能指标 | 实验结果[ | 本文模拟 | 相对误差/% |
---|---|---|---|
Fp/kN | 50.34 | 48.13 | 4.4 |
Fm/kN | 26.37 | 25.90 | 1.8 |
Ws/(kJ·kg-1) | 53.99 | 53.75 | 0.4 |
表4 CFRP薄壁圆管实验结果[22]与模拟结果对比
Table 4 Comparison of experimental results[22] and simulated results of CFRP thin-walled circular tube
吸能指标 | 实验结果[ | 本文模拟 | 相对误差/% |
---|---|---|---|
Fp/kN | 50.34 | 48.13 | 4.4 |
Fm/kN | 26.37 | 25.90 | 1.8 |
Ws/(kJ·kg-1) | 53.99 | 53.75 | 0.4 |
薄壁管 | Fp/kN | Fm/kN | Ec/% | Ws/ (kJ·kg-1) |
---|---|---|---|---|
CFRP多孔阵列薄壁圆管 | 562.69 | 50.50 | 8.98 | 61.24 |
CFRP圆管[ | 96.86 | 53.58 | 55 | 60.37 |
CFRP方管[ | 162 | 32 | 19.75 | 44.69 |
表5 薄壁管轴向抗冲击与吸能性能指标对比
Table 5 Comparison of axial impact resistances and energy absorption properties of thin-walled tubes
薄壁管 | Fp/kN | Fm/kN | Ec/% | Ws/ (kJ·kg-1) |
---|---|---|---|---|
CFRP多孔阵列薄壁圆管 | 562.69 | 50.50 | 8.98 | 61.24 |
CFRP圆管[ | 96.86 | 53.58 | 55 | 60.37 |
CFRP方管[ | 162 | 32 | 19.75 | 44.69 |
薄壁管 | Fp/kN | Fm/kN | Ec/% | Ws/ (kJ·kg-1) |
---|---|---|---|---|
CFRP多孔阵列薄壁圆管 | 104.90 | 12.02 | 11.46 | 6.74 |
CFRP圆管[ | 3.66 | 2.31 | 63 | 0.83 |
Ti6Al4V圆管[ | 11.33 | - | - | 3.40 |
表6 薄壁管横向抗冲击与吸能性能指标对比
Table 6 Comparison of lateral impact resistances and energy absorption properties of thin-walled tubes
薄壁管 | Fp/kN | Fm/kN | Ec/% | Ws/ (kJ·kg-1) |
---|---|---|---|---|
CFRP多孔阵列薄壁圆管 | 104.90 | 12.02 | 11.46 | 6.74 |
CFRP圆管[ | 3.66 | 2.31 | 63 | 0.83 |
Ti6Al4V圆管[ | 11.33 | - | - | 3.40 |
铺层角度 | 方向 | Fp/ kN | Fm/ kN | Ec/ % | Ws/ (kJ·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|
[90°/0°/90°/0°]2S | 轴向 | 562.69 | 50.50 | 8.98 | 61.24 |
横向 | 104.90 | 12.02 | 11.46 | 6.74 | |
[90°/45°/90°/0°]2S | 轴向 | 505.85 | 58.14 | 11.49 | 70.49 |
横向 | 104.64 | 11.90 | 11.37 | 6.67 | |
[90°/45°/-45°/0°]2S | 轴向 | 705.74 | 62.95 | 8.93 | 76.36 |
横向 | 146.82 | 12.68 | 8.63 | 7.09 |
表7 不同铺层角度CFRP多孔薄壁管抗冲击与吸能性能指标对比
Table 7 Comparison of impact resistances and energy absorption properties of CFRP thin-wall tube with different lay-out angles
铺层角度 | 方向 | Fp/ kN | Fm/ kN | Ec/ % | Ws/ (kJ·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|
[90°/0°/90°/0°]2S | 轴向 | 562.69 | 50.50 | 8.98 | 61.24 |
横向 | 104.90 | 12.02 | 11.46 | 6.74 | |
[90°/45°/90°/0°]2S | 轴向 | 505.85 | 58.14 | 11.49 | 70.49 |
横向 | 104.64 | 11.90 | 11.37 | 6.67 | |
[90°/45°/-45°/0°]2S | 轴向 | 705.74 | 62.95 | 8.93 | 76.36 |
横向 | 146.82 | 12.68 | 8.63 | 7.09 |
[1] |
曹建凡, 白树林, 秦文贞, 等. 碳纤维增强热塑性复合材料的制备与性能研究进展[J]. 复合材料学报, 2023, 40(3):1229-1247.
|
|
|
[2] |
|
[3] |
doi: 10.1016/j.dt.2018.02.001 |
[4] |
|
[5] |
麻震宇, 张祎桀, 张琪, 等. 尾座式电动飞机复合材料机翼结构优化设计[J]. 国防科技大学学报, 2023, 45(6):20-31.
|
|
|
[6] |
|
[7] |
张震东, 王雪琴, 任杰, 等. 连续碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管多胞结构的准静态压缩响应[J]. 兵工学报, 2022, 43(5):1185-1193.
|
|
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
解江, 张雪晗, 宋山山, 等. CFRP薄壁C型柱轴向压缩破坏机制及吸能特性[J]. 复合材料学报, 2018, 35(12):3261-3270.
|
|
|
[11] |
王雪琴, 张震东, 马大为, 等. 碳纤维增强环氧树脂复合材料圆管多胞填充结构吸能特性的准静态压缩试验[J]. 复合材料学报, 2021, 38(9):2894-2903.
|
|
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
孟云聪, 周光明, 蔡登安. 连续碳纤维3D打印圆形增强蜂窝的面内压缩性能[J]. 复合材料学报, 2024, 41(4):1782-1793.
|
|
|
[17] |
曹丰, 曾志勇, 黄建, 等. 连续纤维增强复合材料的3D打印工艺及应用进展[J]. 中国科学:技术科学, 2023, 53(11):1815-1833.
|
|
|
[18] |
|
[19] |
许玉德, 缪雯颖, 严道斌, 等. 基于改进混合模式内聚力模型的无砟轨道层间损伤分析[J]. 铁道学报, 2021, 43(4):125-135.
|
|
|
[20] |
|
[21] |
杨帆, 王鹏, 范华林, 等. 薄壁管状吸能结构的吸能性能及变形模式的理论研究进展[J]. 力学季刊, 2018, 39(4):663-680.
doi: 10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.001 |
doi: 10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.04.001 |
|
[22] |
白佳瑶, 黄金红, 侯兵, 等. 不同压溃速度下复合材料圆管吸能特性实验及数值模拟研究[J]. 航空科学技术, 2021, 32(12):66-73.
|
|
|
[23] |
李顺峰. 碳纤维复合材料(CFRP)薄壁结构吸能特性实验研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2017:13-19.
|
|
|
[24] |
白少璞. CFRP薄壁管吸能特性研究及优化设计[D]. 大连: 大连理工大学, 2019:29-32.
|
|
|
[25] |
|
[26] |
|
[1] | 孔祥清, 李若男, 常雅慧, 付莹. 泡沫填充负泊松比蜂窝夹层结构的抗爆性能数值模拟[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 3091-3104. |
[2] | 王逸凡, 李永鹏, 徐豫新, 刘铁磊, 焦晓龙, 王若素. 钨球对碳纤维增强复合材料包覆碳化硼陶瓷侵彻效应[J]. 兵工学报, 2024, 45(8): 2487-2496. |
[3] | 项新梅, 罗林林, 符祖书, 何世珠. 梯度模式对Miura-ori超材料力学性能影响的研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 618-627. |
[4] | 朱秀芳, 周宏元, 张宏, 陈新民. 梯度灌封电路板结构的抗低速冲击性能[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 3879-3891. |
[5] | 王哲, 刘鹏, 陈婧, 黄广炎, 张宏. 弹道冲击下石墨烯和聚乙烯改性芳纶织物的钝伤防护性能[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 35-43. |
[6] | 刘腾, 周雄飞, 王成全, 敬霖. 列车碰撞事故下轮轨动态作用机理与脱轨抑制技术[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 67-78. |
[7] | 刘彦, 王百川, 闫俊伯, 闫子辰, 时振清, 黄风雷. 侵彻作用下负泊松比蜂窝夹芯结构动态响应[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 1938-1953. |
[8] | 李富荣, 荣吉利, 王玺, 陈子超, 韦振乾, 赵自通. 水下爆炸载荷下金字塔夹芯板抗冲击性能及破坏模式研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 1954-1965. |
[9] | 高航, 兰宝华, 许启灏, 陈亮子, 肖光明. 加工参数对T800碳纤维增强复合材料铣削质量的影响[J]. 兵工学报, 2023, 44(4): 994-1005. |
[10] | 牛草, 顾广鑫, 朱磊, 徐宏斌, 李正宇, 张卫红, 陈永伟, 王博, 石建雄, 李一哲. 车载导弹发射架结构有限元分析与拓扑优化设计[J]. 兵工学报, 2023, 44(2): 437-451. |
[11] | 刘一鸣, 熊自明, 陈曦, 仲思东, 王德荣. 反无人机用空间条网牵引展开仿真与试验研究[J]. 兵工学报, 2022, 43(9): 2048-2057. |
[12] | 郑秋杰, 郭迎福, 蔡志华, 张磊. 步枪弹高速冲击下防弹头盔功能梯度泡沫内衬的防护性能[J]. 兵工学报, 2021, 42(6): 1275-1282. |
[13] | 李志农, 曾文钧, 闻庆松, 沈功田, 沈永娜. 静载拉伸和低周疲劳下Q235钢磁声发射特性[J]. 兵工学报, 2021, 42(1): 185-191. |
[14] | 王鑫, 赵汝岩, 卢洪义, 刘磊, 伍鹏. 基于加速老化和实测载荷的立式贮存固体发动机药柱寿命评估[J]. 兵工学报, 2019, 40(11): 2212-2219. |
[15] | 张晓颖, 李胜杰, 李志强. 爆炸载荷作用下夹层玻璃动态响应的数值模拟[J]. 兵工学报, 2018, 39(7): 1379-1388. |
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