《高低温环境对复合材料Y型夹芯结构力学行为和失效机理的影响研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高低温环境对复合材料Y型夹芯结构力学行为和失效机理的影响研究.doc（110页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、摘 要碳纤维增强复合材料Y型夹芯结构由于具有轻量化，比强度和比刚度大以及多功能化等特点，在船舶和航空航天等领域具有广泛的应用前景。目前国内外学者对碳纤维复合材料Y型夹芯结构力学性能等方面的研究较少，特别是没有关于复合材料Y型夹芯结构在不同温度环境下的力学性能等方面的研究，然而碳纤维环氧树脂复合材料中的环氧树脂基体对温度比较敏感。为了深入认识碳纤维增强环氧树脂基复合材料Y型夹层结构的高低温力学特性，并为其在船舶上的设计应用提供数据支撑，有必要研究复合材料Y型夹芯在高低温环境下的力学性能。本文研究了碳纤维增强环氧树脂基复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的平压，弯曲，侧压和准静态压痕等力学性能和失效
2、机理。采用试验和理论相结合的方法研究了复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的面外压缩响应。通过试验测量复合材料层合板在高低温环境下的弹性模量和强度，然后研究环境温度对复合材料Y型夹芯结构在面外压缩载荷作用下的应力-应变曲线，平压刚度和强度的影响。揭示了复合材料Y型夹芯结构在不同温度环境下的平压失效机理。推导出了高低温环境下复合材料Y型夹芯结构平压刚度和平压强度的理论预报公式，并将理论预测结果与试验结果进行了对比，发现二者具有良好的一致性。通过试验研究了高低温环境下复合材料Y型夹芯结构的三点弯曲响应，得到了复合材料Y型夹芯结构弯曲载荷-位移曲线，弯曲失效载荷，极限峰值载荷，和弯曲刚度随环境温度的变
3、化规律，揭示了复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的三点弯曲失效机理。研究结果表明，三点弯曲载荷作用下复合材料Y型夹芯结构的弯曲失效载荷和弯曲刚度随环境温度的升高而降低。建立了复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下弯曲失效载荷和弯曲刚度的理论预报公式。研究了高低温环境对复合材料Y型夹芯结构侧压行为的影响，分析了高低温环境下侧压载荷-位移曲线，侧压失效载荷和失效模式发生变化的原因。建立了侧压失效载荷在不同温度环境下的理论预报公式。研究结果表明，载荷-位移曲线和侧压失效载荷随环境温度的升高而降低。通过试验研究了复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下准静态压痕力学响应，得到了压痕载荷-位移曲线和失效载荷随环境
4、温度的变化规律，解释了复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的压痕失效机理。研究结果表明，当环境温度低于玻璃转化温度时，复合材料Y型夹芯结构上面板的失效模式为纤维断裂失效；当环境温度高于玻璃转化温度时，Y型夹芯结构上面板的失效模式为纤维微屈曲失效。关键词：碳纤维；复合材料Y型夹芯结构；高低温环境；力学性能；失效机理AbsractCarbon fiber composite sandwich panels with Y-shaped cores have a wide range of application in marine due to they are light weight, high
5、specific stiffness and specific strength and multifunctionality. At present, domestic and foreign scholars have done little research on carbon fiber composite sandwich panels with Y-shaped cores. Especially, there is no research on the mechailcail properties of composite sandwich panel with Y-shaped
6、 at different temperatures. The epoxy matrix is sensitive to temperature. In order to understand the high and low temperatures mechanical properties of the carbon fiber reinforced composite sandwich panels with Y-shaped cores and provide data support for its design and application on ships, it is ne
7、cessary to investigate the effects of temperature on mechanical behaviors of composite sandwich panels with Y-shaped cores. In this paper, the mechanical properties and failure mechanisms of carbon fiber composite sandwich panels with Y-shaped cores at high and low temperatures such as out-of-plane
8、compression, three point bending, edge compression and quasi-staic indentation are studied.The out-of-plane compression response of composite sandwich panel with Y-shaped cores at high and low temperatures was investigated by experimental and theoretical methods. The compressive modulus and strength
9、 of composite laminates at high and low temperatures were measured by experiments. The effect of temperature on typical stress-strain curves, compressive stiffness and strength of composite sandwich panels with Y-shaped cores under out-of-plane compression were analyzed. The out-of-plane compression
10、 failure mechanism of composite sandwich panels with Y-shaped cores was revealed. The analytical expressions were presented to predict the compressive stiffness and strength of composite sandwich panel and compared with experimental results at different temperatures.The effects of temperature on the
11、 three point bending behavior of carbon fiber composite sandwich panels with Y-shaped cores was studied. The changes of typical bending load-displacement curves, bending failure load, ultimate peak load and bending stiffness were obtained. The three point bending failure mechanism of composite sandw
12、ich panels with Y-shaped cores at different temperatures was revealed. The results showed that the bending failure load and bending stiffness of composite sandwich panels decreased as with temperature increasing. The analytical prediction formulas for bending failure load and bending stiffness of co
13、mposite sandwich panels with Y-shaped cores at high and low temperatures were derived.The effects of high and low temperatures on in-plane compression behaviors of composite sandwich panels with Y-shaped cores was studied, and the causes of changes of in-plane compression load-dosplacement curves an
14、d failure modes at high and low temperatures were investigated. The theoretical prediction formulas of in-plane compression failure load at different temperatures were established. The results showed that the load-displacement curves and failure load went down with increasing of temperature.The mech
15、anical response of quasi-static indentation of composite sandwich panels with Y-shpaed cores at high and low temperatures was explored by experiments. The changes of indentation load-displacement curves, failure load as well as absorbed energies at different temperatures were obtained. The effects o
16、f high and low temperatures on failure mechanisms of composite sandwich panels with Y-shpaed cores under quasi-static indentation loading have been revealed. The results showed that when the temperature was lower than the glass transition temperature, the failure modes of composite sandwich panels w
17、as fiber fracture. However, the fiber microbuckling failure was observed for the composite sandwich panels when the temperature was higher than the glass transition temperature.Key words: Carbon fiber; Composite sandwich panel with Y-shaped cores; High and low temperatures; Mechanical properties; Fa
18、ilure mechanism目 录摘 要IAbsractIII1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 复合材料夹芯结构制备工艺及力学性能研究现状31.3 温度对复合材料力学性能的影响91.4 本文主要研究内容122 高低温环境对复合材料Y型夹芯结构平压性能的影响152.1 引言152.2 试验件制备及试验方法152.3 复合材料层合板在高低温环境下的压缩行为202.4 复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的平压性能242.5 本章小结393 高低温环境对复合材料Y型夹芯结构三点弯曲性能的影响413.1 引言413.2 试验件制备及试验方法413.3 复合材料I型试件在高低温环境下的剪切
19、性能443.4 复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的三点弯曲性能533.5 本章小结714 高低温环境对复合材料Y型夹芯结构侧压性能的影响734.1 引言734.2 试验件制备及试验方法734.3 复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的侧压性能744.4 本章小结835 高低温环境对复合材料Y型夹芯结构准静态压痕性能的影响855.1 引言855.2 压痕试验件制备及试验方法855.3 复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的准静态压痕性能875.4 本章小结956 总结展望966.1 全文工作总结966.2 工作展望97致 谢99参考文献100附录 攻读学位期间发表论文1081 绪论1.1 课题研究
20、的目的和意义(a)(b)(c)(d)与传统夹芯结构相比，复合材料夹芯结构由于比强度高、比刚度高、耐腐蚀、抗冲击性能良好、可设计性强且易于维护修复等特点在船舶轻量化设计建造等工程领域中得到大量应用1-5。夹芯结构通常是由上下两层薄面板和中间低密度，高强度的芯子组成6, 7。这种设计可以使结构在质量不增加的情况下，大大增加比刚度和比强度。常见的夹芯结构有泡沫夹芯结构8，蜂窝夹芯结构9，点阵夹芯结构10，波纹形夹芯结构11等。图 11给出了几种典型的夹芯结构示意图。国内外对复合材料在舰船上的应用非常重视，传统的夹芯结构如泡沫夹芯结构和蜂窝夹芯结构已经在舰船上得到了初步的应用。挪威海军的盾牌级舰船采用
21、了全复合材料泡沫夹芯结构，具有较高的比强度和低磁雷达特性12，同时美国海军的“短剑”号高速隐身快艇和瑞典皇家海军的“纳斯比”号轻型护卫舰也大量采用复合材料代替钢材以提高机动性与隐身能力，我国新一代翼艇“天使号”采用了三维编织全复合材料结构设计。船体部件采用复合材料制备而成，克服了传统材料易腐蚀，重量大等缺点。图 11 不同芯子构型的夹芯结构：(a)泡沫夹芯结构；(b)蜂窝夹芯结构；(c)点阵夹芯结构；(d)波纹夹芯结构；图 12 挪威海军全复合材料巡逻艇12碳纤维复合材料夹芯结构相对密度比金属夹芯结构小，并且具有很高的比强度，可以提高船舶的储备浮力13。碳纤维复合材料在船舶领域有广阔的应用前景
22、。复合材料在满足结构强度的基础上，还可以进行减振降噪，防腐蚀等功能化设计。军舰大部分需要航行在广阔的海洋中，海水的盐碱度比较高，对铁质的船体外壳腐蚀比较严重，采用复合材料制备船体外壳可以有效地满足高盐，高湿等苛刻的海洋环境，碳纤维耐老化的特性可满足船舶的寿命要求14。碳纤维复合材料Y型夹芯结构是一种新颖的夹芯结构，在船舶和航空航天等领域具有广泛的应用前景。但是目前国内外学者对复合材料Y型夹芯结构的相关研究比较少，为了比较全面地评估复合材料Y型夹芯结构，为其在船舶与海洋工程等领域的应用提供数据支撑，需要研究其基本的力学性能。船舶的服役环境比较复杂，船舶的外壳在南极等海域航行时会遭遇极低的温度，然
23、而内部的结构材料也会经历一些高温环境，比如发动机工作发热，螺旋桨高速转动引起的发热等。复合材料中碳纤维的力学性能参数对环境温度的变化不明显，但是环氧树脂基体对环境温度的抵抗力比较弱，不同温度环境下环氧树脂基体的力学性能差别较大。服役环境的改变会引起环氧树脂基体力学性能的改变，从而改变复合材料夹芯结构的整体力学性能。同时碳纤维和环氧树脂基体的热膨胀系数不一样，在低温或高温环境中由于热膨胀系数差别较大会产生残余温度热应力和残余温度热应变，进而会影响整个复合材料夹芯结构的力学性能。低温环境下，环氧树脂基体分子链流动性降低，碳纤维复合材料会变脆，会强化整个结构的承载能力15；而在高温环境中环氧树脂基体
24、会热软化，弱化整个夹芯结构的力学性能16, 17。不同温度环境下复合材料夹芯结构力学参数是否在使用安全阈值之内是一个需要研究的课题。为了防止碳纤维增强复合材料Y型夹芯结构在船舶等领域的实际应用中出现灾难性的后果，有必要研究碳纤维复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的各种力学性能。本文选取碳纤维增强环氧树脂基T700预浸料作为原材料，采用模具热压一次成型技术制备复合材料Y型夹芯结构作为研究对象，研究高低温环境下复合材料Y型夹芯结构在平压，弯曲，侧压，准静态压痕等载荷作用下的静态力学性能和失效机理，并对其在平压，弯曲和侧压载荷作用下的力学性能进行了理论预报。1.2 复合材料夹芯结构制备工艺及力学性能
25、研究现状1.2.1 夹芯结构制备工艺进展近年来，由于复合材料夹芯结构具有的众多优良特点，国内外学者对复合材料夹芯结构的制备工艺及相关力学性能进行了广泛的研究18-20。范华林等21, 22采用编织的方法制备了一种新型的复合材料夹层结构。具体工艺流程如下：首先采用热压罐成型工艺制备夹芯结构的上下面板，并根据芯子的空间分布，在上下面板上切割出规定尺寸的圆孔。第二步，根据夹芯梁所对应的高度对上下预支面板进行空间定位。第三步，根据方向在夹芯梁之间编织纤维束，第四步，根据纤维的松紧状况调整纤维束的高度，然后将其放入干燥箱中加热固化，最后对冷却成型后的夹芯板进行切割，得到所需尺寸的夹芯结构，具体如图 13
26、所示。Finegan等23, 24在2007年通过水切割法制备了碳纤维复合材料金字塔点阵夹芯结构，并研究了其平压力学性能，具体的制备工艺如图 14所示。首先，根据0/90的铺层方式制备所需厚度的复合材料层合板；之后通过水切割从层合板中切割出带槽口的二维桁架，然后根据槽口的对应关系将二维桁架嵌入组合在一起；最后在上下面板中切割出和槽口相对应的凹槽，并利用环氧树脂胶将面板和芯子粘接固化加热，冷却后可得复合材料金字塔点阵夹芯结构。这种工艺的优点是可以批量化制备二维桁架芯子，且通过嵌入的方式，提高了夹芯结构的剪切强度。缺点是芯子切割精度要求较高，面板和芯子吻合比较困难，而且纤维没有沿杆件的轴向进行铺设
27、，不能有效发挥增强纤维的承载作用。图 13 编织法制备夹芯结构工艺图22图 14 水切割法制备金字塔夹芯结构工艺流程图23梅杰等25采用热压一次成型工艺制备了复合材料四面体点阵夹芯结构，具体制备工艺如图 15所示。首先沿与纤维垂直的方向切割单向碳纤维预浸料，并将指定的方向将切割好的预浸料卷成复合材料杆件。第二，将杆件放入模具中的对应位置，并在上下两端各预留大约5mm以便于能够分散地埋在面板里面。第三，在模具的上下表面各铺5层预浸料。复合材料杆件的端部穿过面板的对应开口，沿所有方向分散劈开。第四，将具有对称铺层方式的预浸料铺在外表面，整个面板的铺层顺序为0/90/0/90/0s。第五步，将组装好
28、的夹芯结构放入干燥箱中并在125下保温1.5h。之后他们通过试验，理论与有限元仿真相结合的办法分别研究了四面体点阵夹芯结构在面外压缩和面内剪切载荷作用下的力学性能和失效模式。试验结果表明四面体点阵夹芯结构在面外压缩载荷作用下的失效模式是节点失效，面内剪切载荷作用下的失效模式是杆件剥皮失效。有限元仿真的失效模式与试验具有良好的一致性。图 15 热压一次成型工艺制备四面体点阵夹芯结构示意图25Du等26采用热压二次成型法制备了基于弯曲折纸的碳纤维增强复合材料夹芯结构。具体制备工艺如图 16所示。首先，在阳模和阴模上涂抹脱模剂使得固化后的模具和折芯易于分离。然后，将编织碳纤维预浸料放入到阴模的凹槽中
29、。之后将独立的阳模完美到插入到阴模的每一个凹槽中。阳模被分成了很多独立的条块，其目的是方便调节预浸料使其能够完美地契合在阳模和阴模之间，同时避免损坏预浸料。在之后将组装好的模具放入温度为80，压力为0.1MPa的高压釜中热压半个小时；然后将温度升至130，压力升至0.3MPa，保温1.5小时。释压冷却后脱模便可获得碳纤维增强复合材料折芯。之后通过类似的工艺来制造上下面板。最后使用环氧树脂胶膜J-272将上下面板和折芯在120的恒定温度保持2小时，使其粘接在一起，冷却后获得复合材料折芯夹层结构。他们通过试验，理论和有限元相结合的方法研究了复合材料折芯夹层结构在平压载荷作用下的力学性能和失效机理。
30、研究结果表明试验和有限元仿真的失效模式图具有良好的一致性。弯曲的折纸折芯比人字形折纸具有更好的抗屈曲能力，并且与其他蜂窝材料相比具有更加优良的的压缩特性。与一次热压成型相比，避免出现了应力集中。图 16 热压二次成型方法制备基于弯曲折纸的夹芯结构示意图26图 17 模具热压和热熔粘接法制备复合材料波纹结构27Chen等27采用模具热压和热熔粘接法制备复合材料波纹结构，具体制备工艺流程图如图 17所示。首先，将玻璃纤维聚丙烯预浸料放入对应的波纹模和板模中，并放入温度为200，压力为0.48MPa的高压釜中进行热压。待冷却后将波纹板和面板切割成所需要的尺寸，长度和宽度均为120mm。然后，采用热熔
31、法将波纹板和面板按照不同的空间构型，形成复合材料波纹夹芯结构。他们一共设计并制备了规则、对称和垂直三种结构的波纹夹芯结构。最后他们揭示了预浸料的层数和夹芯结构的芯子对夹芯板的压缩性能参数和失效机理的影响。Xu等28采用自动切割和热压法制备了三维波纹点阵夹芯结构。第一，采用热压法将单向碳纤维预浸料按照铺层方式0/90n制备复合材料层合板。梯度平台板芯，并通过模具使其与面板契合。最后将组装好的模型真空装袋并在温度130，压力0.5MPa的高压釜中保持120分钟。他们研究发现几何形状和波纹夹芯尺寸对复合材料夹芯板在压缩和三点弯曲载荷作用下力学性能和失效模式产生了重要的影响。Zhang等29通过伺服压
32、力机设计并制造了可成形的碳纤维增强热塑型夹芯结构。他们研究发现，采用碳纤维制备而成的夹芯结构与传统夹芯结构相比具有更高的比弯曲刚度，更高的制备效率，可以工厂化大批量制备。1.2.2 夹芯结构力学性能研究现状由于夹芯结构在很多工程领域都有广泛的应用前景，国内外很多学者对多种不同的复合材料夹芯结构的相关力学性能展开了研究30-34。吴倩倩等35采用理论推导和数值模拟相结合的方法对复合材料波纹夹芯结构的力学性能和失效机理进行了研究。王兵等36探索了碳纤维复合材料直柱型，倾斜型，金字塔型和X型点阵夹层结构的平压，侧压，剪切和弯曲等力学性能。研究结果表明，这几种新型的复合材料夹芯结构与传统的多孔材料相比
33、，具有相对密度低，比刚度大，比强度高，可设计性强等优点。而且夹芯结构采用模具热压一体化工艺制备而成，从根本上改善了夹芯结构的面板和芯子连接处性能较弱的缺点，提高了剪切强度。熊健等37, 38通过试验测试了碳纤维复合材料金字塔点阵结构的剪切，弯曲和侧压力学性能参数和失效机理。推导出了夹芯结构在剪切，弯曲和侧压载荷下的理论预报公式，并且理论预报值和试验测量值吻合度较好。在剪切载荷作用下主要失效模式是界面脱胶，具体如图 18所示。在弯曲载荷作业用下主要发生芯子和面板界面的剪切脱胶失效，在侧压载荷作用下金字塔点阵夹芯结构出现剪切型宏观屈曲，面板起皱和面板压溃。图 18 复合材料金字塔点阵夹芯结构剪切失
34、效模式38娄佳等39制备了完好以及含有局部损伤的金字塔点阵夹芯结构，并对该结构的固有频率和固有振型进行了研究。通过对比发现，芯子的局部损伤会降低夹芯结构的固有频率。边界约束条件越强，固有频率对局部损伤越敏感。于国财等40通过嵌锁工艺制备了多级复合材料蜂窝结构，并对该结构的平压和剪切性能以及失效模式展开了理论和试验研究。试验结果表明，与普通蜂窝结构相比，多级蜂窝结构具有更高的比平压强度和较高的比剪切刚度。李岩奇等41研究了碳纤维复合材料X型点阵夹芯结构的平压和剪切响应。X型点阵夹芯结构的力学性能参数优于金字塔点阵夹芯结构的力学参数。复合材料X型点阵夹芯结构的等效剪切刚度不依赖于载荷的施加方向，而
35、等效剪切强度与载荷的施加方向有关，当剪切载荷的施加方向是45时，X型结构的等效剪切强度最大。Lim等42研究了Kagome点阵夹芯结构在平压和弯曲载荷作用下的力学行为。试验结果表明，两种载荷作用下Kagome点阵夹芯结构均发生欧拉屈曲失效，与金字塔点阵夹芯结构相比，Kagome夹芯结构的吸能特性更加优越。Lee等43采用新型的制备工艺制备了三维Kagome点阵夹芯结构，并对其平压力学性能进行了试验研究。研究发现平压载荷作用下的主要失效模式为杆件劈裂失效，其主要原因是制备夹芯结构过程中杆件所承受的压力不足导致的。并且发现这种新型的Kagome夹芯结构与传统蜂窝夹芯结构力学性能相近。George等
36、44研究了不同芯子密度的金字塔点阵夹芯结构的剪切响应。当芯子相对密度低于1%时，夹芯结构在静态剪切载荷作用下发生欧拉屈曲失效；当芯子密度高于1%时，夹芯结构在静态剪切载荷作用下发生分层失效，具体如图 19所示。图 19 金字塔点阵夹芯结构静态剪切失效模式441.3 温度对复合材料力学性能的影响1.3.1 温度对复合材料层合板力学性能的影响碳纤维复合材料对温度比较敏感，层合板是复合材料Y型夹芯结构的主要组成部分，研究不同温度环境下层合板的力学性能对研究夹芯结构在高低温环境下的力学性能具有重要的指导意义。目前温度对复合材料层合板力学性能的影响被国内外学者进行了广泛的研究45-50。Grape等51
37、研究了温度对二维编织复合材料压缩性能的影响。复合材料的压缩强度和压缩模量随着温度的升高而不断降低。当温度低于玻璃转化温度时，层合板在压缩载荷作用下主要发生剪切开裂和分层失效；当温度高于玻璃转化温度时，由于材料内基体软化比较严重，失效模式为塑性KinKing失效，具体如图 110所示。Wang等52研究了不同长度和比例的玻璃纤维对玻璃纤维混凝土抗压刚度和抗弯强度的影响，并且模拟了温度对混凝土力学性能的影响。研究结果表明玻璃纤维混凝土的残余抗压强度随环境温度的升高而降低。Dang等53揭示了温度对三维角度互锁编织碳纤维环氧树脂基复合材料的力学性能和破坏机理的影响。结果表明，温度对编织复合材料的弯曲
38、性能和失效模式产生了重要影响。载荷-挠度曲线为线性弹性，但是在高温下则出现明显的非线性特征的和较长的可塑性过渡期。Sreekantha等54探索了温度对玻璃纤维复合材料层合板低速冲击性能的影响。研究结果表明温度改变了层合板的失效模式以及达到峰值时的深度。Feih等55通过试验的方法研究了碳纤维复合材料在高温环境下的拉伸性能。试验研究发现纤维模量在空气中会随温度的升高而降低，而在惰性气体中纤维模量不受环境温度的影响；而纤维的强度对环境中氧气的体积分数改变而改变。Surmres等56建立了热结构模型以预测单侧加热过程中平压载荷作用下纤维增强复合材料层合板的失效模式。Snchez-Sez等57对复合
39、材料层合板在低温环境下低速冲击后的剩余压缩强度进行了试验研究。在低温环境下，编织层合板剩余压缩强度下降幅度明显小于常温时剩余压缩强度的下降幅度。周平等58对T300/BMP350在高温环境下进行了静态拉伸试验研究。层合板在高温环境下均发生脆性破坏，高温环境对T300/BMP350的拉伸失效模式影响不大。图 110 复合材料在不同温度环境下受压缩载荷的失效模式图51图 111 冲击能量为21J时CFRP在不同温度下的失效图59Krbelin等59研究了低速冲击载荷作用下温度对CFRP力学性能的影响。试验结果表明分层失效区域面积和剩余压缩强度随温度的升高而降低，图 111给出了冲击能量为21J时不
40、同温度点的失效模式图。Li等60通过试验研究了三维碳碳复合材料的高温压缩性能和破坏机理。试验结果表明，当环境温度低于600时，主要失效模式是90方向纤维的撕裂和0方向纤维在剪切平面的剪切破坏；然而当温度高于600时，局部失效和塑性破坏特征更加明显，此时复合材料被严重氧化，纤维和基体的界面性能大幅降低。1.3.2 温度对复合材料夹芯结构力学性能的影响目前，国内外仅有部分学者研究了泡沫夹芯结构，点阵夹芯结构，蜂窝夹芯结构，波纹形夹芯结构等几种常见的夹芯结构在不同环境温度下的力学响应和失效机理61-63，而没有学者研究碳纤维复合材料Y型夹芯结构在不同温度环境下的力学行为。刘加一等64-66通过理论和
41、试验方法研究了温度对金字塔点阵夹芯平压，剪切和弯曲性能的影响。在高温环境中，复合材料金字塔点阵夹芯结构中的树脂基体会热软化，从而造成夹芯结构在高温环境下的承载能力急剧下降，失效模式也发生了改变。Soni等67研究了泡沫夹芯结构在低温环境下的四点弯曲疲劳寿命和失效模式。在所有测试温度点，夹芯结构发生芯子剪切失效。并且在低温环境下夹芯结构中分子链的流动性会降低，导致结构的刚度增加，进而增长了疲劳寿命。Gupta等68研究了复合材料泡沫夹芯结构在高低温环境下的冲击响应。当泡沫夹芯结构在高温环境下受冲击波载荷作用时，夹芯结构发生了纤维断裂、纤维基体脱粘和芯子压缩失效；然而当泡沫夹芯结构在低温环境下受冲
42、击波载荷作用时，夹芯结构产生了芯子裂纹和面芯分层失效。李晓东等69采用模具热压二次成型技术制备碳纤维复合材料金字塔点阵夹芯结构，并研究该结构在不同温度环境下的平压性能。图 112给出了夹芯结构在不同温度环境下的失效模式图。在玻璃转化温度以下，点阵夹芯结构的芯材发生分层失效；当试验温度高于玻璃转化温度时，夹芯结构的芯材发生塑性屈曲失效。刘家安等70研究了高温对Ai-Si-SiC复合夹芯结构平压性能的影响。实验结果表明，随着温度的升高，等效压缩强度逐渐降低。在常温时，夹芯结构发生脆性断裂失效；而当温度上升至400时，结构发生塑性断裂失效。韦凯等71研究了轻质C/SiC复合材料点阵夹芯结构在高温环境
43、下的平压和弯曲性能。在所有的测试温度点，夹芯结构在平压载荷下主要发生芯子断裂失效，在弯曲载荷作用下芯材主要发生剪切失效。随着环境温度的升高，平压强度和弯曲强度逐渐降低。图 112 复合材料金字塔点阵夹芯结构在不同温度下的失效模式。(a) 90C; (b) 70C; (c) 50C; (d) 30C; (e) 25C; (f) 80C; (g) 120C; (h) 160C; (i) 180C691.4 本文主要研究内容目前国内外学者主要集中于复合材料夹芯结构在常温状态下的力学性能研究，而对其在高低温环境下的力学性能研究较少。碳纤维增强环氧树脂基复合材料主要由纤维和环氧树脂基体组成。由于纤维和基
44、体的热膨胀系数不一致，导致其在不同温度下二者的力学特性变化不一致。其中环氧树脂基对温度的变化较为敏感，不同温度下基体的物理特性和化学特性均不一致，进而会对基体的力学性能产生比较大的影响。所以要想实现碳纤维环氧树脂基复合材料Y型夹芯结构在船舶与海洋工程等领域的应用，就需要获得高低温环境对复合材料Y型夹芯结构的影响规律，因此开展相关的基础研究对复合材料Y型夹芯结构的实践应用具有重要意义，本文的主要研究内容如下：（1）通过模具热压一体化成型技术制备试验研究所需的碳纤维复合材料Y型夹芯结构。采用理论和试验相结合的办法研究高低温环境下复合材料Y型夹芯结构的面外压缩力学行为响应。首先通过试验测量了不同温度
45、下复合材料层合板的弹性模量和强度。之后通过试验方法研究在平压载荷作用下高低温环境对复合材料Y型夹芯结构失效模式，应力-应变曲线，等效压缩刚度和强度的影响，得到了平压刚度和强度随温度变化的规律，揭示了高低温环境与失效模式之间的内在机理。从理论上推导碳纤维复合材料Y型夹芯结构在不同温度下等效平压刚度和平压强度的理论预报公式，并将理论预报值与试验结果进行对比分析。（2）研究高低温环境下碳纤维复合材料Y型夹芯结构三点弯曲性能。研究三点弯曲载荷作用下Y型夹芯结构在高低温环境下的载荷位移曲线，失效模式，等效弯曲刚度，失效载荷和极限载荷的变化规律，揭示了Y型夹芯结构等效弯曲刚度和失效载荷在高低温环境下的变化
46、规律以及失效机理。建立了复合材料Y型夹芯在高低温环境下弯曲刚度和初次失效载荷的理论预报模型。（3）研究高低温环境下碳纤维复合材料Y型夹芯结构侧压性能。研究侧压载荷作用下Y型夹芯结构在高低温环境下的载荷位移曲线，失效模式和极限载荷的变化规律，揭示Y型夹芯结构侧压极限载荷在高低环境下的变化规律以及失效机理，并分析了产生变化的原因。从理论上推导了复合材料Y型夹芯结构侧压极限失效载荷的理论预报公式。（4）通过试验研究了复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的准静态压痕力学响应。通过实验研究了准静态压痕载荷作用下高低温环境对Y型夹芯结构失效模式，载荷位移曲线和压痕极限载荷的影响。揭示了碳纤维复合材料Y型夹芯
47、结构高低温环境下的失效机理和压痕失效载荷随温度的变化规律。2 高低温环境对复合材料Y型夹芯结构平压性能的影响2.1 引言由于船舶服役领域的复杂性和服役环境的特殊性，当碳纤维复合材料Y型夹芯结构应用于舰船上时既可能在低温环境下承受载荷也有可能在高温环境下承受载荷。压缩刚度和强度是结构材料最基础的力学性能参数。因此复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的平压力学性能的了解与掌握是其能够在船舶结构上应用的基础。在Y型夹芯结构被作为承载结构应用于船舶与海洋结构物之前，需要根据其服役环境，对平压力学性能以及失效机理进行实验测试。本章对碳纤维复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的平压力学性能和失效机理进行了研究
48、。通过试验测试了复合材料层合板在高低温环境下的压缩模量和强度,并分析了温度对复合材料层合板失效模式和应力-应变曲线的影响。研究了高低温环境对碳纤维复合材料Y型夹芯结构失效机理，应力-应变曲线，等效平压刚度和强度的影响，揭示了Y型夹芯结构在不同温度下的失效机理。同时对复合材料Y型夹芯结构在高低温环境下的等效平压刚度和强度进行了理论预报，并将理论预报值与试验测试结果进行对比分析。2.2 试验件制备及试验方法2.2.1 试验件制备在试验测试之前，首先要制备出符合试验规范的复合材料Y型夹芯结构。图 21给出了碳纤维增强复合材料Y型夹芯结构的模型示意图。本文采用模具热压一体化成型工艺制备碳纤维复合材料Y型夹芯结构，原材料为碳纤维/环氧树脂基体预浸料。碳纤维/环氧树脂基体预浸料常温下力学参数和玻璃转化温度如表 21所示。由于需要使用复合材料层合板的