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《南京航空航天大学》 2007年
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机织复合材料多尺度渐进损伤研究

王新峰  
【摘要】: 机织复合材料是由两组纱线在织机上沿各自的方向交织而成。纤维束的相互交织使得机织复合材料具有许多优异的性能,如增强了面内和层间的强度、提高了损伤容限和抗冲击性能以及具有良好的仿形能力等。因此,机织复合材料作为一种结构材料受到日益广泛的关注,并已在航空航天、生物医学工程以及汽车工业等领域得到了广泛的应用。为了更加有效的设计和使用机织复合材料,需对它们的力学性能进行深入的研究。 本文在细观纤维尺度和宏观单胞尺度两个尺度上分别建立了纤维束力学模型和机织复合材料力学模型。并采用三维实体有限元方法,研究了平面机织复合材料和三维机织复合材料的刚度、强度性能以及在各种载荷作用下的损伤演化过程。首先基于纤维的六角形堆积假设,在细观尺度建立了纤维束单胞模型。根据纤维和基体的性能分别对基体单元和纤维单元采用相应的强度准则,研究了不同组分材料、不同纤维体积含量纤维束的各项力学性能。通过有限元计算结果与已有理论公式预测结果的对比分析,修正了部分现有的刚度和强度预测公式。 建立了宏观尺度的平面机织复合材料三维卷曲几何模型,可更为准确地反映其内部几何结构。并将细观纤维束的研究结果引入该模型,研究了平纹机织复合材料在拉伸、压缩和面内剪切载荷作用下的力学响应,分析了其破坏机理。还进行了三维机织正交浅联复合材料的细观几何结构研究。在细观观测的基础上,采用Hermit样条函数建立一种新的三维机织复合材料几何模型。利用该模型研究了三维机织复合材料在经向拉伸、纬向拉伸和面内剪切载荷作用下的损伤演化过程。 在宏-细观两个尺度上的有限元分析中,均采用了周期性边界条件以保证单胞边界面的应力连续和位移连续。并且当单元出现损伤后,对细观纤维束单胞和宏观机织复合材料单胞中的损伤单元均按特定方向进行刚度折减,抛弃了以往损伤分析中常用的“单元消失”方法。 本文还进行了树脂传递模塑(Resin Transfer Molding,RTM)成型工艺的研究,并自行设计和制作了一套螺旋加载式多通道RTM成型装置,制备了三维机织复合材料试验件。进行了拉伸、压缩和剪切试验,获得了部分平面机织复合材料和三维机织复合材料的基本力学性能数据。试验结果与有限元分析结果吻合较好,验证了本文多尺度模型和分析方法的正确性。
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