三维正交机织复合材料准静态/低周疲劳多尺度力学响应与损伤分析

【摘要】：与传统层合板复合材料相比,三维正交机织物复合材料具有有效层间分层阻抗、显著断裂韧性、较高面内强度和损伤容限。在轻质飞行器、舰艇和高速车辆等领域具有较大应用潜力。本文旨在进行三维正交机织物复合材料准静态/循环拉伸循环载荷下力学响应与损伤机理多尺度有限元分析。 本文研究思路如下：(1)将三维正交玻璃纤维机织物和不饱和树脂在室温下采用VARTM成型技术加工成三维正交机织物复合材料；(2)依据纤维束(经纱、纬纱和Z纱)体系结构、纤维等体积含量原则和周期性边界条件,建立细观/中观/宏观跨尺度几何单胞模型；(3)以几何单胞模型和其内纤维/基体性质为起点,用Fortran90语言编写含有裂纹生成和损伤演化及交换准则多尺度用户定义材料子程序(User-defined material subroutine, UMAT);(4)将用户定义子程序(UMAT)导入商用有限元软件ABAQUS/Standard分别计算准静态/循环拉-拉循环载荷力学响应和损伤演化；(5)对比分析预测和实验结果,二者比较吻合；此外,该多尺度材料破坏失效和循环加载行为预测子程序模型适应性和可靠性还需进一步试验验证,尤其是复合材料复杂异形构件多轴向/循环载荷加载。 论文主要工作有： (1)准静态拉伸和三点弯曲测试：测试其准静态拉伸和三点弯曲性能,获取其载荷-挠度曲线、最大强度、损伤和断裂形貌等特征；初步分析准静态拉伸和三点弯曲加载方式试样力学响应特征和损伤失效机制； (2)循环拉伸疲劳测试：在应变控制加载下,用MTS-810试验机测定哑铃形状试样循环拉伸疲劳力学响应和损伤演化过程。根据不同应变水平下一定周期载荷后局部损伤分布和特征分析试样疲劳损伤机制； (3)多尺度几何单胞模型：三维正交机织物复合材料面内呈周期性分布,依据其经纬纱密度、纤维束层数和Z向厚度等尺寸参数和纤维束交织结构形态,首先,建构含有树脂基体纤维束层次中观单胞几何模型(Meso-RUC);其次,根据试验试样和多尺度单.胞几何模型中纤维等体积原则,建立仅含有纤维和基体两相组分细观单胞几何模型(Micro-RUC),其中单纤维在树脂基体中呈正六边形周期性分布；为充分研究三维正交机织物复合材料表而和内部区域内在结构差异,因其经纬纱系统在内部区域沿厚度方向周期性排列,分别提取内层单胞几何模型(Inner meso-RUC)和表层单胞几何模型(Surface meso-RUC)。最后,建立宏观层次试样模型(Macro-scale beam),宏观尺度模型在有限元分割时其单元厚度分别对应于内层单胞与表层单胞厚度尺寸,试样和模型沿厚度方向经纬纱线层数相同。采用主-从节点技术将周期性边界条件(Periodic boundary conditions, PBCs)分别应用到细观/中观单胞几何模型； (4)多尺度准静态用户定义子程序材料模型(UMATs):根据多尺度几何单胞及对应组分材料属性,用Fortran90语言编写含有弥散裂纹(Smear crack)、损伤演化(Post-damage constitutive model)和损伤球面加载/卸载交换准则(Switch rule)多尺度弹性和粘弹性本构关系用户定义子程序(UMAT)。在细观结构模型中(仅含有纤维和树脂基体),分别编写最大主应力/应变弥散裂纹失效各向同性和非线性粘弹性本构关系用户定义子程序(UMAT),基于纤维/基体性质和细观单胞(Micro-RUC),在主节点独立施加正应变/剪应变载荷,分析细观单胞模型力学响应和损伤演化；在中观结构模型中(Meso-RUC,仅含有浸润基体纤维束(对应细观结构模型)和纯树脂(填充于纤维束之间)两相组份),纤维束被定义为轴向和横向最大强度弥散裂纹独立失效(最大强度来自上一尺度单胞轴向和横向强度值)横观各向同性材料模型,树脂基体被定义为各向同性或非线性粘弹性最大主应变失效模型。最后,基于内层/表层单胞力学参数和失效强度,编写基于正应力最大强度弥散裂纹独立失效(表层/内层单元最大失效强度来自上一尺度单胞正向强度值)正交各向异性弹性本构关系子程序(UMAT),预测长条试样宏观模型三点弯曲力学行为和损伤； (5)多尺度循环加载行为预测用户定义子程序材料模型(UMAT):根据上述多尺度准静态用户定义子程序材料模型,将表征加载/卸载条件转换规则(Switch rule)导入粘弹性本构关系子程序；沿用上述多尺度单胞模型力学参数和失效强度传递机制：纤维/基体→细观结构模型→中观结构模型→宏观结构模型。预测循环加载载荷下多尺度单胞力学行为和裂纹生成与损伤演化； (6)验证上述多尺度单胞几何模型和材料模型可行性和适应性：将上述多尺度用户定义子程序材料模型(UMATs)导入多尺度单胞几何模型并在商用有限元软件ABAQUS/Standard:运行；模拟三维正交机织复合材料准静态拉伸、准静态弯曲和拉伸疲劳力学行为和裂纹损伤过程,其预测结果得到试验结果验证并进一步揭示试样力学响应特征和损伤失效机理。 本文多尺度有限元分析技术可扩展到其它复杂纺织结构复合材料力学响应、裂纹损伤和循环加载行为预测,并可进一步应用于轻质飞行器、高速车辆和防护装备等复合材料结构件强度预测和性能评估。