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织物/粘性树脂复合材料本构行为研究

林国昌  
【摘要】: 织物/粘性树脂复合材料由织物材料和未固化的粘性树脂构成。由于树脂体系没有固化,使其在承受剪切时,纤维束可以绕其交叉点发生转动。因此,织物/粘性树脂复合材料具有纯织物材料的剪切大变形特性。另一方面,织物/粘性树脂复合材料发生变形过程中,其中的未固化树脂体系发生显著流动。因此,织物/粘性树脂复合材料又具有流体的流变特性。由于同时具有织物与流体特性,针对织物/粘性树脂复合材料应建立其特有的本构方程来描述其剪切大变形特性和流变特性。织物/粘性树脂复合材料的本构研究涉及到织物力学,流体力学和非线性连续介质力学等多学科,因此对其本构的研究具有重要的理论价值。 本文以预浸织物为研究对象,它由碳纤维平纹织物和预固化的环氧树脂体系构成,属于织物/粘性树脂复合材料中的一种。通过像框剪切实验分析确定了预浸织物的剪切具有明显的阶段性,不同阶段具有不同的剪切机理。根据剪切机理的不同,本文将预浸织物的剪切分为两个阶段:剪切阶段和纤维束挤压阶段。两个阶段之间的分界点是织物锁定角,利用所建立的织物单胞模型确定了锁定角的大小。 在剪切阶段,利用流体力学方法,提出了织物/n阶Rivlin-Ericksen粘性流体本构泛函。通过选用不同阶数的Rivlin-Ericksen流体可以给出织物/粘性树脂复合材料的线性与不同形式的非线性本构方程。根据本构泛函,本文给出了描述织物/粘性树脂复合材料的织物/一阶R-E粘性流体非线性本构方程的张量形式。本构方程由结构张量,变形率张量和十个粘性系数构成,当考虑到材料对称性时,粘性系数减少到六个。将预浸织物看作二维薄板,假设材料不可压缩和纤维束方向不可伸长,结合像框实验分析,给出了预浸织物的本构方程分量的具体表达式。 在纤维束挤压阶段,将预浸织物看作是由预浸纱线直接编织而成的一类特殊织物,利用织物力学方法研究了这一阶段预浸织物的剪切行为,选取变形挤压后的织物胞元为研究对象,通过力矩平衡,建立了载荷与剪切角变化率之间的预测公式。根据本构原理与功共轭原理,采用第二Piola-Kirchhoff应力张量与Green应变率张量建立了纤维束挤压阶段的斜交本构方程。本构方程中,仍然采用预浸织物不可压缩以及纤维束方向不可伸长假设,将预浸织物看作薄板材料,给出了挤压阶段预浸织物的本构方程分量的具体表达式。 利用像框实验结果,给出了两个不同阶段粘性系数和刚度矩阵系数的表达式。假设在像框实验中,外力所做的功完全转化为预浸织物的应力能,忽略其他形式的能量损失,利用功率平衡方程验证了剪切阶段与纤维束挤压阶段本构方程的有效性。实验结果与理论结果对比显示,建立的不同阶段本构方程可以较好描述织物/粘性树脂复合材料的本构行为。


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