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《东华大学》 2014年
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四步法三维编织复合材料弯曲疲劳性质及损伤演化有限元分析

吴利伟  
【摘要】:四步法三维编织物中,所有纱线在空间中相互交织形成空间网状结构,具有极高的外形结构和力学性质可设计性,理论上可以织造出任意厚度、特殊截面甚至变截面异形件。该结构复合材料具有近净成形、整体结构稳定、抗分层、抗剪切性能优良等特点,在工程领域有极大应用潜力。任何结构件在使用过程中均会遭受疲劳损伤所造成的影响,为避免因疲劳破坏所产生的安全隐患,延长使用寿命,对四步法三维编织复合材料疲劳性能以及损伤演化的研究至关重要。本文在实验测试的基础上,通过单胞和细观两种尺度对四步法三维编织复合材料三点弯疲劳循环加载下的力学性能、结构效应以及损伤机理进行有限元分析。 论文工作具体如下: 1.测试四步法三维编织复合材料准静态三点弯曲强度、弯曲模量、载荷-挠度曲线以及损伤破坏性态,分析失效机理以及结构效应,并根据最大弯曲强度制定疲劳加载应力水平。在准静态实验中发现四步法三维编织复合材料表现出明显的抗弯刚性,破坏主要集中在整个材料的中部区域,主要为纱线与树脂脱粘,纤维发生抽拔和断裂破坏,无分层现象。 2.在不同应力水平条件下对四步法三维编织复合材料进行三点弯循环加载测试,根据载荷-挠度曲线和刚度退化曲线,分析渐进破坏过程所对应的疲劳力学响应与损伤机理。通过实验发现疲劳寿命与应力水平之间成反比关系,不同应力水平条件下的载荷-挠度曲线和刚度退化曲线均会出现明显的“三阶段”形态。 3.在四步法编织工艺以及纱线空间形态基础上,将四步法三维编织复合材料划分出三个基本循环单元(内单胞、面单胞和角单胞),根据试件纱线排列以及编织角分别计算出三个基本循环单元所占体积比、内部纤维填充系数、纱线体积含量以及刚度矩阵,用于建立三单胞几何模型以及材料模型。通过计算发现内单胞所占体积比例很高,外层单胞在加载时会提供很大程度的抗弯性能。 4.利用三单胞模型对准静态加载下四步法三维编织复合材料力学性能进行有限元分析,计算三种基本循环单元在弯曲载荷下的承载情况,分析准静态加载下四步法三维编织复合材料的损伤机理。通过对比发现,三单胞模型的弯曲模量与实验结果更为接近,可以准确计算出四步法三维编织复合材料准静态加载下的弯曲性能。 5.根据弯曲损伤刚度公式推导并建立四步法三维编织复合材料疲劳载荷下的刚度以及强度退化模型,利用Fortran语言将三单胞本构关系、刚度退化模型、Hashin三维失效准则以及等寿命公式编写入有限元用户材料子程序UMAT,对四步法三维编织复合材料三种应力水平(80%,70%和60%)下的疲劳性能进行有限元分析,预测三种应力水平下的疲劳寿命,通过应力应变集中区域以及损失破坏形态与扩展过程进一步探讨“三阶段”疲劳损伤机制。结果表明应力集中区域主要位于整个平板中部以及受约束的下表面两端区域,与应力水平关系不大,整个加载过程应力变化很小,但应变变化很大,变化主要发生在疲劳加载的中后期,刚度降解与挠度变化呈现出“三阶段”形式,说明材料失效模式与加载周期密切相关。 6.分别建立小尺寸和全尺寸四步法三维编织复合材料细观尺度模型,考虑纱线中树脂浸润情况重新计算纱线材料属性并根据纱线方向赋予到模型中。对小尺寸细观模型用位移控制三点弯疲劳循环加载,分析四步法三维编织复合材料内部纱线与树脂承载情况、纱线与树脂间界面脱粘以及两者破坏形态,分析结构效应对疲劳性能的影响。从应力分布云图发现纱线与树脂应力集中区域接近,破坏主要发生在加载中部区域和支持辊所在的约束区域,两种材料间界面裂纹主要由应力差异所造成,裂纹扩展方向会受到纱线损伤情况的影响: 7.按照80%应力水平加载条件对全尺寸细观模型进行有限元分析,获取整个材料疲劳加载过程中能量转化与应力分布情况,对比实验破坏形态,进一步揭示结构效应对整个复合材料力学性能退化的影响。研究发现四步法三维编织复合材料会形成特有的三角形应力集中区,该区域形态与编织角,材料厚度以及纱线形态相关。受载方式不同与表面编织角也会造成整个材料破坏形态存在差异。 本文针对四步法三维编织复合材料的三点弯疲劳性能进行研究,通过单胞尺度模型对疲劳寿命进行有效预测,利用细观尺度模型深入分析结构效应对材料退化的影响,并与实验结果相印证,该方法可以进一步应用到其他结构复合材料中,为提高复合材料抗疲劳性能、优化疲劳寿命提供可靠的依据与方法。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TB33

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 刘振国,陆萌,麦汉超,卢子兴,冯志海;三维四向编织复合材料弹性模量数值预报[J];北京航空航天大学学报;2000年02期
2 李嘉禄,杨红娜,寇长河;三维编织复合材料的疲劳性能[J];复合材料学报;2005年04期
3 李典森;刘子仙;卢子兴;冯志海;;三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的压缩性能及破坏机制[J];复合材料学报;2008年01期
4 练军;顾伯洪;;三维编织复合材料动态冲击性能的数值模拟[J];纺织学报;2011年01期
5 陈利,陶肖明,蔡忠龙;A STRUCTURAL ANALYSIS OF THREE-DIMENSIONAL BRAIDS[J];Journal of China Textile University(English Edition);1997年03期
6 ;The effect of applied stress on damage mode of 3D C/C composites under bend-bend fatigue loading[J];Science in China(Series E:Technological Sciences);2007年01期
7 刘瑞强;赵强;;四步法三维编织复合材料弯曲疲劳行为实验研究[J];纤维复合材料;2012年02期
8 吴德隆,郝兆平;五向编织结构复合材料的分析模型[J];宇航学报;1993年03期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 卢子兴,刘振国,麦汉超,陈作荣;三维编织复合材料强度的数值预报[J];北京航空航天大学学报;2002年05期
2 卢子兴;杨振宇;刘振国;;三维四向编织复合材料结构模型的几何特性[J];北京航空航天大学学报;2006年01期
3 王迎娜,王玉林,蒋云;三维编织复合材料有效模量的计算[J];玻璃钢/复合材料;2003年06期
4 魏高峰,高洪芬;编织复合材料数值模拟方法[J];玻璃钢/复合材料;2005年06期
5 蒋云,朱建勋,吴山述,韩星,周之刚,吴超;医用CT在编织复合材料织物增强体内部质量评价上的应用[J];玻璃纤维;2004年01期
6 蒋云;朱建勋;韩星;吴山还;周之刚;吴超;陆玉华;;三维五向编织物细观结构分析及数值计算[J];玻璃纤维;2006年04期
7 罗征;周新贵;于海蛟;王洪磊;赵爽;;三维四向复合材料微观模型的研究现状及展望[J];材料导报;2010年03期
8 陈林;刘建军;邹武;;三维编织复合材料的微结构与力学性能研究进展[J];材料导报;2010年07期
9 潘小娟;郭领军;李贺军;李克智;张守阳;赵华;;国内外C/C复合材料疲劳性能的研究进展[J];材料导报;2011年07期
10 刘谦,李嘉禄,李学明;三维编织复合材料的弯曲和压缩性能探讨研究[J];材料工程;2000年08期
中国重要会议论文全文数据库 前8条
1 冯淼林;曹一方;孙慧玉;吴长春;;三维编织复合材料本构模拟的均匀化方法[A];复合材料的现状与发展——第十一届全国复合材料学术会议论文集[C];2000年
2 吴德隆;沈怀荣;;纺织结构复合材料的力学性能研究[A];复合材料的现状与发展——第十一届全国复合材料学术会议论文集[C];2000年
3 陈众迎;龙连春;;三维编织复合材料的力学性能研究现状[A];北京力学会第15届学术年会论文摘要集[C];2009年
4 贾光耀;陈虹;郭志猛;王耀明;程之强;;三维编织结构复合材料力学性能的实验研究[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
5 贾光耀;陈虹;郭志猛;王耀明;程之强;;三维编织结构复合材料力学性能的实验研究[A];2004年材料科学与工程新进展[C];2004年
6 郭领军;潘小娟;李贺军;李克智;;国内外C/C复合材料疲劳性能的研究进展[A];第22届炭—石墨材料学术会论文集[C];2010年
7 刘振国;李东颖;;考虑纤维束间黏接层的三维四向编织复合材料有限元建模[A];复合材料:创新与可持续发展(下册)[C];2010年
8 孙慧玉;;三维纺织复合材料的弹性分析[A];大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 竺铝涛;纤维力学性质应变率效应和针织复合材料弹道冲击破坏机理[D];东华大学;2010年
2 黄小平;四向矩形编织复合材料几何细观结构和力学性能研究[D];南京航空航天大学;2002年
3 徐明利;用元胞法研究碳酚醛的本构关系及应力波传播[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2003年
4 邹武;三维纺织C/SiC复合材料的制备及其性能研究[D];西北工业大学;2001年
5 王波;三维编织复合材料力学行为研究[D];西北工业大学;2003年
6 郑锡涛;三维编织复合材料细观结构与力学性能分析[D];西北工业大学;2003年
7 王迎娜;三维编织芳纶纤维增强树脂基复合材料的性能研究与设计[D];天津大学;2004年
8 杨朝坤;三维编织复合材料细观结构平均刚度及其压缩性能的研究[D];天津工业大学;2003年
9 李向华;基于编入光纤传感器的三维编织复合材料性能研究[D];南京航空航天大学;2005年
10 马文锁;三维编织复合材料的群论分析[D];上海大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李志江;三维角链锁机织复合材料弹道侵彻玻坏的细观尺度有限元计算[D];东华大学;2011年
2 孙晓强;三维编织复合材料几何建模及界面损伤力学研究[D];山东轻工业学院;2011年
3 杨耀臣;管状三维五向编织材料编织工艺优化及其性能研究[D];河南科技大学;2009年
4 李本禄;含人工缺陷的C_f/Al复合材料压缩失效行为研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 梁建永;三向铺层穿刺复合材料的渐进损伤分析[D];哈尔滨工业大学;2010年
6 胡振坤;三维四向编织复合材料热膨胀性能的研究和优化设计[D];南京航空航天大学;2010年
7 刘琳;三维编织复合材料的压缩损伤模拟[D];南京航空航天大学;2010年
8 仲苏洋;含随机缺陷三维编织复合材料有效性能研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
9 修英姝;四步法三维编织复合材料力学性能的有限元分析[D];天津工业大学;2001年
10 杨萍;三维编织复合材料力学性能的CAE技术基础[D];天津工业大学;2002年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘谦,李嘉禄,李学明;三维编织复合材料的弯曲和压缩性能探讨研究[J];材料工程;2000年08期
2 陈利,梁子青,马振杰,刘景艳,李嘉禄;三维五向编织复合材料纵向性能的实验研究[J];材料工程;2005年08期
3 廖晓玲,李贺军,韩红梅,李克智;碳/碳复合材料的疲劳行为研究[J];材料科学与工程学报;2005年03期
4 徐静怡,顾伯洪;编织复合材料弹道冲击破坏形态及模式[J];弹道学报;2002年02期
5 练军;顾伯洪;;三维编织复合材料弹道冲击细观结构模型的有限元计算[J];弹道学报;2006年03期
6 庞宝君,杜善义,韩杰才,赫晓东,严勇;三维四向编织碳/环氧复合材料实验研究[J];复合材料学报;1999年04期
7 陈利,李嘉禄,李学明;三维编织中纱线的运动规律分析[J];复合材料学报;2002年02期
8 修英姝,陈利,李嘉禄;三维编织复合材料制件的细观单胞元分析[J];复合材料学报;2003年04期
9 卢子兴,胡奇;三维编织复合材料压缩力学性能的实验研究[J];复合材料学报;2003年06期
10 李嘉禄,孙颖,李学明;二步法方型三维编织复合材料力学性能及影响因素[J];复合材料学报;2004年01期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 梁凤来,胡玲;黄单胞胶漂白及提取的研究[J];微生物学通报;1991年04期
2 李宏;吴四海;彭玉麟;王斌;史延茂;薛晓梅;;固定化运动发酵单胞菌发酵初速度的研究[J];河北省科学院学报;1992年03期
3 胡盛志;关于空间群判断失误的札记I.最小素单胞的选取[J];结构化学;1999年06期
4 崔慧霄;彭玉麟;张艳银;籍宝霞;;超声波破碎运动发酵单胞菌方法初探[J];河北省科学院学报;1990年02期
5 王斌;武四海;彭玉麟;史延茂;;固定化运动发酵单胞菌细胞增殖的研究[J];河北省科学院学报;1991年02期
6 王昀璐;花日茂;唐欣昀;;寡养单胞菌在环境保护中的应用研究进展[J];安徽农业科学;2010年28期
7 R.Buckley;E.CloughandW.Warnken;张康生;;澳大利亚的邻单胞志贺氏菌[J];AMBIO-人类环境杂志;1998年03期
8 ;化工上的应用[J];生物技术通报;1987年11期
9 冯驰;吴晓青;;三维编织预制件单胞模型的参数化[J];玻璃钢/复合材料;2007年02期
10 李锡敏;郭安平;阳辛凤;郭运玲;孔华;贺立卡;;运动发酵单胞菌表达载体的构建[J];广东农业科学;2010年11期
中国重要会议论文全文数据库 前7条
1 逄晓阳;李晶;刘国文;杨文艳;杨连玉;王哲;;酿酒酵母对反刍月形单胞菌利用乳酸的影响[A];增强自主创新能力 促进吉林经济发展——启明杯·吉林省第四届科学技术学术年会论文集(下册)[C];2006年
2 张洪;郭可信;;大单胞铝—过渡族晶体的十次准晶近似[A];第六次全国电子显微学会议论文摘要集[C];1990年
3 李晶;逄晓阳;杨文艳;刘国文;杨连玉;王哲;;酵母对反刍月形单胞菌利用乳酸及其发酵的影响[A];动物营养与饲料研究——第五届全国饲料营养学术研讨会论文集[C];2006年
4 王美琪;王伟君;李德跃;;单胞红藻(Porphyridium cruentum)光合器官超微结构和光合功能的探讨[A];中国细胞生物学学会第五次会议论文摘要汇编[C];1992年
5 肖清华;邓泽珍;毛长庚;李庆安;刘建湘;;噬麦芽食单胞菌感染及其耐药性分析[A];中华医学会第七次全国感染病学术会议论文汇编[C];2001年
6 刘铁志;田慧敏;张建;贾振华;徐伟良;;内蒙古的单胞锈菌[A];2012年中国菌物学会学术年会会议摘要[C];2012年
7 杨辉;王毅明;杨庆生;;复合材料的全场与单胞应力应变计算对比[A];北京力学会第14届学术年会论文集[C];2008年
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1 罗明典;“吃木头”的虫与“吃木头”的微生物[N];科技日报;2001年
2 实习生 郭智雯;使用细菌喷雾就能代替洗澡吗?[N];科技日报;2014年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 吴利伟;四步法三维编织复合材料弯曲疲劳性质及损伤演化有限元分析[D];东华大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 李微微;运动发酵单胞菌中实时定量PCR体系的建立及主碳代谢途径基因转录初步分析[D];天津大学;2012年
2 段若竹;小单胞菌C5308的化学成分研究[D];中国协和医科大学;2006年
3 李明智;生物农药—黄单胞菌L4毒素的产品开发研究[D];浙江大学;2005年
4 刘晓文;微嗜酸寡养单胞菌培养条件、解毒效能、与藤黄微球菌互作关系的研究[D];苏州大学;2010年
5 刘瑞强;三维编织复合材料三点弯曲疲劳单胞尺度有限元计算[D];东华大学;2013年
6 欧阳勇;复合材料参数化随机单胞模型及应用[D];湘潭大学;2012年
7 史姣;具有周期性单胞的二维非均质材料/结构的拟膜分析法[D];西北农林科技大学;2006年
8 范晓阳;南太平洋沉积物深渊藤黄单胞菌(Luteimonas abyssi sp.nov.)等4个深海细菌新种的分类鉴定[D];中国海洋大学;2014年
9 刘长俊;重组运动发酵单胞菌催化产山梨醇研究[D];华东理工大学;2010年
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