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酞菁基三维六向编织复合材料渐进损伤分析

邹亚军  
【摘要】:三维编织复合材料以其高比强度、高比刚度、能抵抗多向复杂应力和热应力以及整体成型的独特优势,在航空航天领域得到广泛应用。三维编织复合材料具有的损伤容限高,良好的抗冲击性能以及结构可设计特点,逐渐从次承力构件变为主承力构件,使其成为具有较大潜力的第三代纤维增强复合材料。三维编织复合材料被广泛应用的前提是对其强度、损伤容限和可靠性做出合理的分析和评估。三维编织复合材料编织方式的和成型工艺带来的不确定性,使其细观结构变得非常复杂。单一的研究方法很难对三维编织复合材料的性能和破坏模式做出正确的分析。本文对三维六向编织复合材料进行了超声C扫,观察试样表面的孔隙缺陷,对孔隙率和纤维体积含量进行定量的测量,并对编织复合材料试样进行了单向拉伸、三点弯曲和层间剪切实验,得到了材料的破坏模式和强度、模量等力学性能。结合宏观实验,从细观力学角度出发,依据三维六向编织工艺中纱线的运动规律和对纱线做的假设,编写了Python程序来建立代表性体积单胞,根据单胞细观结构周期性特点施加了周期性边界条件,以施加了周期性边界条件的代表性体积单胞模型来模拟宏观材料的破坏。采用三维Hashin准则作为纤维束的初始损伤准则,最大应力准则作为树脂基体的损伤准则。为了减少网格尺寸的依赖和提高收敛速度,建立了与单元特征长度和Sidoroff能量等价原理相关的损伤演化模型。利用Murakami-Ohno模型中的二阶损伤变量实现组分材料刚度的折减。编写了针对三维编织复合材料Hashin初始损伤准则的UMAT子程序,在程序中定义了包含损伤变量的雅可比矩阵,从而三维六向编织复合材料进行渐进损伤分析。讨论分析了不同编织角和不同的周期性边界条件对三维六向编织复合材料性能的影响。


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