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《浙江理工大学》 2010年
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三维机织正交结构复合材料抗冲击性能及其有限元分析

马雷雷  
【摘要】: 基于模型参数化设计与有限元理论,通过对三维正交机织复合材料纤维增强体的细观结构分析,本文利用CAD软件Pro/Engineer建立了三维机织正交结构复合材料的单胞模型的程序,该程序可以通过设定织造参数生成相应的模型。建立的模型可以导入有限元软件ANSYS/ LS-DYNA中,并对复合材料的准静态冲击过程进行了模拟计算。将模拟的结果与准静态实验进行对比表明,有限元方法模拟计算值与实验值总体变化趋势一致,且误差较小,验证了该有限元模拟方法的正确性和可行性,并探讨了复合材料受到冲击载荷时的内部应力变化趋势,为三维机织结构复合材料的性能研究、结构设计和工程应用等提供了一定的理论基础。通过本论文工作可获得如下主要结论: (1)利用万能试验机对复合材料进行准静态冲击实验,得到载荷位移曲线、能量吸收曲线和破坏模式。通过分析可知复合材料冲击破坏分为几个阶段,其中在冲击开始到复合材料出现初始穿透的阶段,复合材料受到的破坏对其力学性能影响较大。复合材料的破坏模式除了基体受到破坏和纤维增强体受到抽拔、拉伸之外,还包括在剪切方向的破坏,复合材料受到冲击后其正面主要受到压缩破坏,而背面的拉伸破坏比较严重。 (2)通过显式求解器LS-DYNA对三维机织复合材料准静态冲击过程的模型进行计算,得到有限元法模拟准静态冲击过程的结果。该结果与实验室条件下的载荷位移曲线、材料的能量吸收曲线和破坏模式进行对比校验,表明有限元方法模拟值与实验值总体变化趋势一致,且预测值与实验值的误差较小,验证了该有限元模型的准确性和可行性。 (3)从细观结构层面对复合材料受到冲击后的破坏进行分析,能够清晰确切的查看材料的具体破坏过程和材料在冲击过程中所受的应力变化。通过对纤维增强体与基体随时间变化的应力云图分析,可以看到,复合材料受到的应力随着冲击的进行逐渐增大,在受到冲头冲击的“十”字型区域受到的应力最大,所受到的破坏也最大,与准静态冲击实验中板材发生破坏的最大区域相符。 (4)通过分析三维机织复合材料不同层面的单元受到的应力随时间的变化曲线,得出复合材料在受到冲击时,与冲头接触部分的单元发生破坏是由于该单元的有效应变达到失效应变设定值,与冲头没有接触到的单元发生破坏是由于该单元达到材料的最大屈服应力。冲头与纤维增强体的接触力大于冲头与基体之间的接触力,纤维增强体与基体之间的接触力较小,说明在冲击过程中两者之间接触紧密,界面滑移现象不明显
【学位授予单位】:浙江理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB332

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