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三维机织复合材料损伤演化与失效行为研究

仲苏洋  
【摘要】:作为一种结构复合材料,三维机织复合材料广泛应用于航空航天、建筑工程和医疗器械等领域。三维机织复合材料在面内和厚度方向都有纤维束分布,三维机织复合材料的纤维束构成了空间的网状结构,使得其具有较强的厚度方向力学性能、良好的冲击损伤阻抗以及良好的整体性。这些优点使得其在各个工业领域使用量在不断增加。由于结构的复杂性,使得三维机织复合材料具有多种相互影响的破坏失效模式。为了对其力学性能有充分了解和认识,本文将采用实验和数值仿真模型研究其在不同载荷下的损伤演化和失效过程,并最终提出研究三维机织复合材料失效行为的研究方法。首先,介绍了本论文课题的研究目的和意义。重点回顾了准静态和冲击载荷作用下的三维机织复合材料的研究进展——准静态载荷作用下的实验研究、等效刚度和强度分析模型、损伤演化数值研究方法以及纤维束弯曲波动研究;冲击载荷作用下三维机织复合材料失效行为的实验研究和数值研究。其次,开展了准静态载荷下的三维机织复合材料拉伸和压缩实验。测试三维机织复合材料的刚度和强度性能,观察试件断口宏观和细观形貌,确定其失效模式和破坏机理。并针对三维机织复合材料抗冲击性能开展了弹道冲击实验,研究了三维机织复合材料的冲击破坏机理。在实验分析的基础上,建立了一种应用于三维机织复合材料的渐进损伤模型。该模型在细观尺度上考虑了纤维束内纤维断裂和纤维间开裂,以及基体断裂,给出了表征纤维束和基体损伤程度的损伤因子,继而基于Puck准则和抛物线屈服准则分别提出了纤维束和基体的损伤触发和演化准则。其中,采用指数演化模型和辅助模型作为损伤演化模型。然后,根据三维机织复合材料的实际尺寸提取了代表性体积单胞,以及其子单胞——内单胞和面单胞。基于这两种子单胞,分别预测了单轴拉伸和压缩载荷下的刚度和强度性能,分析研究了三维机织复合材料的损伤演化和破坏失效过程。针对三维机织复合材料中的纤维束弯曲波动问题,提出了纤维束随机正弦波动模型。该模型中分别应用梁单元和体单元表征纤维束和基体。根据实际材料中纤维束发生弯曲波动时的随机统计规律,假设纤维束每一段弯曲波动的轨迹是正弦的,并提出以波动幅值和半波长作为随机变量,建立了三维机织复合材料的随机正弦波动模型。研究了三维机织复合材料在拉伸和压缩载荷下的刚度和强度性能,以及纤维束弯曲波动程度对三维机织复合材料整体力学性能的影响。最后,提出了弹道冲击渐进损伤模型,考虑了应变率对纤维束和基体刚度和强度的影响。应用非均匀有限元方法,建立了三维机织复合材料靶板宏观有限元模型,在计算过程中考虑到了细观的纤维束和基体。计算模拟了三维机织复合材料靶板的弹道冲击过程,分析其动态响应和损伤破坏过程,以及冲击速度对靶板破坏失效的影响。


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