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《江南大学》 2019年
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三维非周期编织复合材料细观结构及拉伸失效机理研究

于颂  
【摘要】:随着三维预成型技术的日益成熟及机械自动化程度的不断提高,以异型三维预成型体为增强骨架的编织复合材料作为主承力构件和功能构件被广泛应用于航天航空、军事防护、交通运输和海洋等领域。异型三维编织复合材料的成型方式多种多样,无论编织工艺如何变化,都会使其细观结构具有一定的非周期性,在受到外力时也会在非周期区域形成应力集中;同时在复合过程中,纤维束受到外力挤压变形使细观结构发生变化,从而影响材料的力学性能。所以,研究三维非周期编织复合材料细观结构以及预测其力学性能显得尤为重要。本文基于Micro-CT断层扫描技术和图像处理技术,构建接近材料真实内部结构的细观模型,采用有限元分析和力学试验相结合的方式,对三维编织复合材料拉伸力学行为及失效机理展开分析。主要研究内容包括:(1)基于四步法编织原理,选择整列减纱的方式,设计工艺以及结构参数,织造非周期编织预制体。采用树脂传递模塑(RTM)复合工艺,完成三维五向非周期编织复合材料的制备。同时为了对比,也设计并制备了三维五向周期性编织复合材料。(2)选用Micro-CT断层扫描技术,设置合理的扫描参数,获得多层切片图像;采用图像处理软件中的滤波、调节对比度和灰度等方法提高纤维束清晰度;把内部单元在花节高度方向均分成若干份,提取不同切片位置下编织纱和轴纱的截面轮廓,并建立坐标系对路径及截面参量进行统计分析。结果表明,编织纱截面形状、面积、周长变化不明显,截面偏转程度和挤紧程度会发生变化,轴纱截面形状随着编织进行呈三角形和扇形交替变化。同时,对非周期区域观测发现,在减纱后的一个编织循环内,减纱处内部会形成孔洞,其周围的纤维束截面形状变化多样,编织角、纤维束之间挤压程度、纤维束之间间隙均发生变化,纤维束编织密度明显减小。经过一个编织循环后所有纤维束排列规律恢复,随着花节排列,编织纱密度逐渐增大。(3)利用万能材料试验机与高速摄像机相结合的表征技术,获取三维五向非周期编织复合材料的拉伸力学行为及渐进破坏过程;在此基础上,通过Micro-CT及扫描电子显微镜(SEM)对非周期性结构试样最终破坏形貌进行观测及分析,揭示失效机理。结果表明,相比于三维周期性编织复合材料,非周期编织材料经减纱工艺后,其拉伸强度有明显下降;非周期编织复合材料主要受损区域存在于减纱位置左右两边的纤维束,减纱处只发生树脂开裂和纤维束内部单丝微小滑移,最终破坏模式以树脂开裂和纤维束抽拔为主。(4)基于Micro-CT扫描及统计分析,采用Python语言实现了更加真实细观结构模型的参数化建立,利用Voxel网格对其进行离散,施加周期性边界条件,模拟拉伸载荷条件下材料的失效模式,分析材料的损伤演化情况,并和试验结果以及现有的理想细观模型预测结果进行对比。结果表明,基于Micro-CT建立的统计模型能够精确预测其力学行为及失效过程。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:V25;TB33

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