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三维编织复合材料冲击响应有限元分析及频域分析

张岩  
【摘要】:三维编织复合材料具有整体网状结构,相比层合复合材料加强了厚度方向力学性能,显著提高了层间剪切强度,在承受载荷特别是动态载荷时不会分层。三维编织复合材料在力学性能上体现为高强高模、高冲击损伤容限,广泛用于抗冲击结构件设计中。 本文旨在采用有限元方法模拟三维编织复合材料动态响应特征,减少三维编织复合材料制作和测试成本,缩短产品设计周期:同时采用频域分析方法深入剖析时域内冲击应力波特征,有助于三维编织复合材料冲击破坏失效分析,更加有利于三维编织复合材料结构件设计。 本论文研究工作主要分为三部分。(1)采用分离式霍普金森压杆和Instron落锤冲击仪分别测试不同速度下三维编织复合材料横向冲击和低速冲击动态响应。通过对比三维编织复合材料在不同冲击加载模式和不同冲击速度下力学响应特征和破坏形态分析其损伤机制和失效机理。(2)根据三维编织复合材料细观结构建立单胞模型,推导其本构方程。引入最大应力准则和临界失效面积准则并编写用户自定义材料子程序VUMAT,结合动态显式求解器ABAQUS/Explicit计算三维编织复合材料横向冲击和低速冲击载荷-位移曲线。(3)将三维编织复合材料冲击载荷-时间曲线作为原始信号通过快速傅立叶变换和希尔伯特-黄变换方法得到冲击应力波在频域内特征。 研究主要结论: (1)三维编织复合材料在准静态横向加载模式下,载荷由零线性增加到最大值,然后缓慢下降。由于三维编织复合材料内部结构有足够时间达到应力平衡状态,因而试件外观损伤区域普遍较小,正面主要表现为树脂开裂而背面表现为纤维与树脂脱粘。 (2)在横向冲击加载下,由于应力波在输入杆中多次反射,输入杆会多次撞击三维编织复合材料试样,因而在载荷位移曲线上会出现多次载荷峰值,载荷随冲击次数增加而减小。三维编织复合材料横向冲击最大载荷和吸收能量随冲击速度增加而增加。在破坏形态方面,三维编织复合材料在较低冲击速度下以树脂开裂为卞,在较高速度下以纤维束断裂为主 (3)三维编织复合材料在低速冲击下最大载荷、最大载荷处能量以及吸收总能量均随冲击速度增加而增加。另外随冲击速度增加,失效模式也从弹性变形变为树脂开裂、纤维束与树脂脱粘直至最后纤维束断裂。 (4)三维编织复合材料有限元计算载荷-位移曲线与实验结果吻合度较好,证明了单胞模型及用户了程序VUMAT的止确性和有效性。该模型可以广泛应用和推广至三维编织及其他结构复合材料结构设计和性能预测中。 (5)三维编织复合材料冲击应力波经快速傅立叶变换后得到其频率和幅度特征。结果显示冲击应力波能量主要集中于低频区域。应力波振幅随冲击速度增加而增加,但频率没有明显变化。冲击应力波经希尔伯特-黄变换后可以得到时间-频率-振幅三者之间关系,弥补了快速傅立叶变换无法得到时间特征的缺陷。分析表明,在希尔伯特-黄谱图中应力波频率突变时刻即为三维编织复合材料从弹性变形进入塑性破坏转折点。随着冲击速度增加,突变时刻出现时间前移。


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