纖維金屬層板的力學(xué)性能及成形技術(shù)
本書共十章，針對國際上在該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，系統(tǒng)、詳細(xì)地介紹了作者團(tuán)隊多年來在纖維金屬層板的體系設(shè)計、損傷理論、力學(xué)性能、仿真技術(shù)及成形方法等方面的最新研究成果。
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纖維金屬層板（fiber metal laminates，F(xiàn)MLs）是一種由金屬薄板和纖維復(fù)合材料交替鋪層后，在一定的溫度和壓力下固化而成的層間混雜復(fù)合材料，也稱為超混雜層板（super hybrid laminates）。FMLs綜合了傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料和金屬材料的特點(diǎn)，具有高的比強(qiáng)度和比剛度，優(yōu)良的疲勞性能以及高損傷容限，是航空航天工業(yè)中備受青睞的先進(jìn)復(fù)合材料。時至今日，四代纖維金屬層板研發(fā)成功：第一代為芳綸纖維-鋁合金層板（aramid reinforced aluminum laminates，ARALL），第二代為玻璃纖維-鋁合金層板（glass reinforced aluminum laminates，GLARE），第三代為碳纖維-鋁合金層板（carbon reinforced aluminum laminates，CARE），第四代為石墨纖維-鈦合金層板（titanium/graphite hybrid laminates，TiGr）。以GLARE層板為例，是由0.3～0.5mm的鋁合金薄板與玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧預(yù)浸料（0.2～0.3mm）交替層壓而成，具有突出的抗疲勞性能及較高的缺口斷裂性能，可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重25%～30%，抗疲勞壽命提高10～15倍。GLARE在空客A380上機(jī)身蒙皮、垂直和水平尾翼前緣、整流板、整流罩、上機(jī)身壁板及上壁板長桁中的應(yīng)用使飛機(jī)減重約800kg。FMLs也已成為大型飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)的重要選材之一，尤其是機(jī)翼前緣等對沖擊及疲勞性能都有高要求的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，F(xiàn)MLs的性能優(yōu)勢是包括碳纖維復(fù)合材料在內(nèi)的其他金屬或先進(jìn)復(fù)合材料所無法具備的。此外，隨著汽車及軌道交通等工業(yè)對材料損傷容限能力及輕量化程度的要求越來越高，對FMLs類材料的需求也日益迫切。然而，F(xiàn)MLs失效機(jī)制復(fù)雜，成形難度高，在界面作用、損傷理論及力學(xué)特性等方面存在諸多待揭示的科學(xué)問題。目前，國內(nèi)還沒有一部全面介紹FMLs相關(guān)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù)的專著。鑒于此，作者決定基于其團(tuán)隊在FMLs領(lǐng)域的多年研究成果，著《纖維金屬層板的力學(xué)性能及成形技術(shù)》一書。
近年來，國內(nèi)外針對FMLs的研究主要集中于以下三個方面：第一，發(fā)展多種材料體系的新型FMLs，以達(dá)到進(jìn)一步改善材料性能、提高耐溫性、利于成形及回收等目的。其中，基于GLARE層板的改進(jìn)、新一代TiGr層板的研制以及熱塑性樹脂的應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)。第二，揭示FMLs的失效及損傷理論，開展其力學(xué)性能的方法研究及預(yù)測。FMLs綜合了金屬層與纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層（簡稱“纖維層”）的力學(xué)性能特點(diǎn)，包含多個金屬層／纖維層界面和大量纖維／樹脂界面，其力學(xué)行為及損傷機(jī)理復(fù)雜，失效模式包括纖維脫黏及斷裂、界面分層、金屬斷裂及基體開裂等。如何建立該類超混雜復(fù)合材料科學(xué)的性能評價方法并合理預(yù)測其力學(xué)性能，是目前重要的研究課題。第三，F(xiàn)MLs的成形技術(shù)難題。FMLs的成形方法與金屬材料相近，但由于纖維的破壞應(yīng)變小，致使該類材料的成形極限遠(yuǎn)小于相應(yīng)的金屬材料，并易產(chǎn)生層間破壞，成形難度大。然而，拓展FMLs在航空航天、軌道交通及汽車工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用的過程中，首先要解決其成形技術(shù)難題。伴隨著塑性加工技術(shù)的發(fā)展，液壓成形、噴丸成形等高效成形方法也可考慮用于FMLs的成形。
目錄
前言
第1章 玻璃纖維鋁鋰合金層板的力學(xué)性能 1
1.1 概述 1
1.2 玻璃纖維鋁鋰合金層板的制造技術(shù) 2
1.3 玻璃纖維鋁鋰合金層板的綜合性能 20
1.4 本章小結(jié) 38
參考文獻(xiàn) 38
第2章 TiGr層板的制備與力學(xué)性能 42
2.1 概述 42
2.2 Ti/CF/PMR聚酰亞胺超混雜層板 42
2.3 Ti/CF/PEEK超混雜層板 58
2.4 本章小結(jié) 61
參考文獻(xiàn) 62
第3章 GLARE層板層間剪切失效與性能評價 64
3.1 概述 64
3.2 GLARE短梁受載層間剪切失效 68
3.3 GLARE雙梁受載層間剪切失效 74
3.4 本章小結(jié) 81
參考文獻(xiàn) 82
第4章 GLARE層板彎曲失效與性能評價 83
4.1 概述 83
4.2 GLARE在彎曲載荷下的失效 84
4.3 GLARE彎曲失效機(jī)制與性能評價 92
4.4 本章小結(jié) 103
參考文獻(xiàn) 104
第5章 纖維金屬層板靜載力學(xué)性能的數(shù)值模擬與實驗研究 106
5.1 概述 106
5.2 各組分材料模型的建立 106
5.3 界面模型的參數(shù)獲取 114
5.4 靜載力學(xué)性能的有限元模擬及損傷分析 120
5.5 本章小結(jié) 151
參考文獻(xiàn) 152
第6章 FMLs疲勞性能的實驗研究及預(yù)測 154
6.1 概述 154
6.2 MLs的疲勞裂紋擴(kuò)展速率 154
6.3 FMLs的疲勞壽命 180
6.4 本章小結(jié) 193
參考文獻(xiàn) 193
第7章 GLARE層板的成形性能及自成形技術(shù) 196
7.1 概述 196
7.2 成形性能 198
7.3 自成形技術(shù) 207
7.4 本章小結(jié) 213
參考文獻(xiàn) 214
第8章 GLARE層板的滾彎成形技術(shù) 215
8.1 概述 215
8.2 滾彎成形原理與模型建立 216
8.3 滾彎成形后層板的回彈規(guī)律研究 220
8.4 滾彎成形后層板的殘余應(yīng)力分布 229
8.5 滾彎成形后層板界面失效規(guī)律研究 231
8.6 本章小結(jié) 238
參考文獻(xiàn) 239
第9章 FMLs噴丸成形技術(shù) 241
9.1 概述 241
9.2 噴丸工藝的選擇及優(yōu)化 243
9.3 噴丸變形特性研究 252
9.4 噴丸對層板性能的影響 260
9.5 TiGr層板的噴丸成形 265
9.6 本章小結(jié) 271
參考文獻(xiàn) 272
第10章 GLARE復(fù)合管液壓成形技術(shù) 274
10.1 概述 274
10.2 GLARE復(fù)合管液壓脹接工藝的理論計算 276
10.3 GLARE復(fù)合管液壓脹接的有限元仿真 283
10.4 GLARE復(fù)合管液壓脹接工藝研究 288
10.5 其他FMLs復(fù)合管 297
10.6 本章小結(jié) 299
參考文獻(xiàn) 300
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