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三维编织复合材料的力学性能和尺寸效应研究

王宝来  
【摘要】: 随着航空航天领域的迅猛发展,三维编织复合材料以其高比强、高比模和结构可设计性等特殊性能赋予了这类材料在航空航天领域的优势地位,并随着制备工艺、材料组分性能的不断发展,将在航空航天领域起到越来越重要的作用。由于材料的力学性能决定着其应用前景,因而要正确的认识其力学性能,但由于三维编织复合材料的力学性能受诸多因素的影响,如三维编织复合材料具有复杂的纤维构造、编织工艺参数、结构参数、预成型件的挤压变形、编织纱与基体的力学性能、切边状况、组分材料体积百分含量等诸多因素都影响编织材料的力学性能,加上编织复合材料较单向材料相比本身力学性能离散性就较大,尤其是强度性能的离散性。另外材料试件的几何尺寸效应、编织结构对材料应力应变关系以及强度的影响的研究都还处于探索阶段,仍需要进行大量的理论和实验研究来揭示三维编织材料的力学性能。因此本文针对三维编织细编穿刺碳/碳复合材料和三维四向碳/环氧编织复合材料进行了材料试件的尺寸效应和材料力学性能离散性的实验研究,并对材料的刚度和强度进行了数值模拟和理论预报,具体研究内容和结论如下: 开展了三维编织细编穿刺碳/碳复合材料的拉伸、压缩实验研究,测试了材料的应力应变关系和断裂强度,分析了材料的损伤机理和破坏模式。研究表明:材料受拉破坏时,Z向断口呈现出平断口,试件表面的纤维断裂、纤维束被拔出,XY向拉伸破坏时,断口呈台阶状,Z向纤维束在碳布的拉剪组合作用下被剪断,材料在受压破坏时,Z向和XY向的破坏模式相似,断口几乎与加载方向成45°,属于压剪耦合破坏,材料Z向的应力应变关系会随着材料试件几何尺寸变化而发生相应的变化,在受压截面较小的情况下,部分边界上的材料容易被压脱,具有明显的边界效应。 对三维编织细编穿刺碳/碳复合材料进行了细观几何建模,并利用有限元方法对材料的弹性性能进行了模拟研究,得到了组分材料参数变化以及编织几何结构的改变对整体材料宏观性能的影响。研究发现增加碳布X、Y向纤维束的厚度和宽度时,X、Y向碳布的纤维体积百分含量逐渐增加,但X方向的拉伸模量呈现逐渐减少的趋势。并通过应力分析可以得到在对材料穿刺方向进行拉伸作用时能够把细编穿刺复合材料等效为单向材料。通过分析材料在不同载荷形式下的变形图和内部应力状态图,得到了材料在不同载荷状况下内部的应力分布情况。 对三维四向碳/环氧编织复合材料行了拉伸、压缩、弯曲实验研究,并对三维编织复合材料试件的尺寸效应进行了探讨,分析了编织角度和试件几何尺寸对材料应力应变关系和强度值的影响,验证了编织材料的内部单胞在厚度和高度方向上数量的增加与材料力学性能的相关性。研究表明:30°和45°两种编织角度材料的拉伸破坏都为平断口破坏,都属于脆性断裂,伴随着剧烈的响声,随着编织角度和受拉试件厚度的改变,材料的拉伸应力应变关系没有发生变化,都表现出明显的线性关系。但随着试件厚度的增加,材料的拉伸模量呈现递减趋势,而泊松比出现了递增趋势。30°和45°两种块状材料的压缩破坏明显表现为压剪破坏,但30°材料的压剪破坏是将编织纤维束剪断,而45°材料剪力在试件宽度方向上沿着双向45°方向进行传递,树脂被挤压出来,形成相应的剪切树脂带。对45°材料改变试件的几何尺寸进行压缩时形成的剪切树脂带的形态也发生了相应的变化。 利用刚度体平均方法和三细胞模型对不同厚度三维四向碳/环氧编织材料进行了刚度预报,得到了材料随内部单胞在厚度方向上数量的增加而产生的尺寸效应,随着内部单胞含量的增加材料的纵向弹性模量递减,渐渐趋于材料全部为内部单胞组成时的有效性能,而泊松比随着内部单胞含量的增加呈现递增趋势,也渐渐趋于固定值。并建立了不同的三维四向编织复合材料的内部单胞几何模型,在此基础上利用均匀化理论对其刚度进行了预报,两个模型和两种理论方法的刚度预报结果都与实验结果吻合较好。 由于纤维强度符合Weibull分布,从而纤维束的强度也符合统计分布规律。在三维四向编织复合材料强度计算过程中,把纤维束的纵向拉伸强度作为随机变量,随机的得到纤维束的强度,并对纤维束采用Hashin三维空间应力破坏准则和对基体采用最大主应力破坏准则进行损伤分析,利用有限元方法对三维四向编织复合材料的统计强度进行了预报。统计预报结果表明三维四向编织复合材料的强度主要由内部纤维束的纵向拉伸强度决定。


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