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纤维增强冰基复合材料抗冲击性能研究

摘要

极地地区拥有丰富的自然资源以及重要的战略价值，因此受到世界各国的重视与研

究人员的广泛关注，然而极地地区气候恶劣并且地理位置偏远难以到达，因此对于极地

的开发具有极高的挑战性。近年来，随着全球变暖和科学技术的进步，极地地区的开发

成为了各国争夺的热门领域，考虑到极地地区地理位置环境特殊，建设永久性机场和机

场跑道是极地航空运输的必备条件，目前跑道的建设方法具有一定的理论研究难点与实

践运用难度。本文以极地机场跑道建设为背景，开展关于纤维增强冰基复合材料的抗冲

击性能研究，以探究将纤维增强冰基复合材料应用于极地机场跑道建设的可行性，具体

研究内容如下：

开展了纤维增强冰基复合材料的低速冲击试验，给出了一种冰基复合材料的破坏判

定准则，探究纤维种类、纤维体积分数以及纤维长径比对冰基复合材料抗冲击性能的影

响，分析了冲击接触力、冲击能量、冲击速度、冲击时间之间的关系，阐明了冰基复合

材料失效后的裂纹形貌及破坏机理。

基于纤维增强复合材料等效弹性性能预测理论模型，利用Mori-Tanaka法探究了纤

维含量对冰基复合材料弹性性能的影响；并对ABAQUS有限元软件进行二次开发，建

立了纤维增强冰基复合材料三维细观数值模型，分析了纤维含量对冰基复合材料弹性性

能的影响；通过数值模拟确定了宏观模拟所需的弹性参数，最后将理论值与模拟值进行

对比分析，验证有限元法预测复合材料弹性性能的可行性。

基于动力学显式有限元法，建立了低速冲击数值模型，分析了纤维体积分数对冰基

复合材料抗冲击性能的影响，进一步分析了复合材料损伤萌生以及损伤演化过程；通过

对比低速冲击试验结果，验证了该模型的可行性；探究了冰基复合材料冲击前与冲击后

的压缩强度，分析了冰基复合材料的剩余压缩强度以此评价复合材料的损伤容限。

关键词：冰基复合材料；低速冲击；细观力学；数值模拟

纤维增强冰基复合材料抗冲击性能研究

ABSTRACT

Thepolarregionsarerichinnaturalresourcesandhaveasignificantstrategicvalue,so

manycountriesaroundtheworldarepayingattentiontothepolarregionsandresearchersare

focusingontheseareas.However,thedevelopmentofpolarregionsisextremelychallenging

duetothesevereclimateandinaccessiblegeographicallocation.Inrecentyears,the

developmentofpolarregionshasbecomeapopularareaofcompetitionamongcountriesdue

toglobalwarmingandadvancesinscienceandtechnology.Consideringthespecial

geographicalenvironmentofpolarregions,theconstructionofpermanentairportsandrunways

isanecessaryconditionforpolarairtransportation,andthecurrentrunwayconstruction

methodshavecertaintheoreticalresearchdifficultiesandpracticalapplicationdifficulties.In

thispaper,withthebackgroundofpolarairportrunwayconstruction,researchontheimpact

resis