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三维编织复合材料三点弯曲疲劳单胞尺度有限元计算

刘瑞强  
【摘要】:三维编织复合材料是一种不需缝合和机械加工,具有良好性能的制件。这种结构比强度、比模量高,损伤容限和断裂韧性高,制件可一次成型复杂的零部件,并可与第三相复合形成力学性能优良的制品。三维编织复合材料耐冲击、不分层、抗开裂和抗疲劳。这些优点完全克服了传统纤维增强复合材料的缺点,因此,研究三维编织复合材料的弯曲疲劳性能具有重要意义。 本课题根据三维编织复合材料的细观结构,构建单胞模型从单胞尺度研究其三点弯曲疲劳性能。单胞模型将三维编织复合材料简化为纱线和树脂两部分,并定义各部分刚度矩阵及其疲劳损伤。采用FORTRAN语言,编写基于单胞模型带有损伤的用户子程序UMAT(User-defined Material Subroutine),结合商用有限元程序包ABAQUS从单胞尺度计算三维编织复合材料弯曲疲劳加载过程中挠度变化、刚度降解和材料损伤。结果表明,实验数据和有限元计算结果有很好一致性,证明单胞模型损伤准则和用户子程序UMAT的可行性。 本课题主要工作: (1)设计并利用树脂传递模压成型技术织造三维编织复合材料; (2)利用MTS810材料测试系统进行复合材料疲劳实验,得到复合材料的挠度变化曲线,刚度降解曲线,并记录复合材料的疲劳破坏形态; (3)分析三维编织复合材料结构,基于单胞模型构建用户子程序UMAT并利用有限元软件ABAQUS建立材料模型调用UMAT进行模拟计算。对比实验和有限元结果,发现两者在计算复合材料挠度变化、刚度降解和材料损伤形态上有很好的一致性。


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