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三维多胞机织复合材料冲击响应和能量吸收特征

唐予远  
【摘要】: 多胞结构材料由于轻质高强和在冲击加载下的高能量吸收特点而被广泛应用在航空、汽车、舰船、运动器材等领域。该论文旨在表征三维多胞机织复合材料的细观结构、冲击响应和在冲击加载下破坏特征。 以角连锁织物为基础组织制备三维多胞机织物和复合材料;利用改进型分离式Hopkinson压杆装置,测试三维多胞机织复合材料横向冲击响应并考察其破坏特征;根据三维多胞机织复合材料细观结构,建立复合材料单胞模型和失效破坏准则,采用FORTRAN语言编写基于弹塑性本构关系、基体最大应力准则和纤维束临界失效面积准则的单胞模型用户材料子程序VUMAT(FORTRAN VectorizedUser-Material),结合商用有限元程序包ABAQUS/Explicit计算三维多胞机织复合材料在横向冲击下的力学响应和吸能特征。结果表明三维多胞机织复合材料在冲击加载下载荷位移曲线和冲击失效模式的计算值和实验值间存在较好的一致性,证明单胞模型、破坏准则和用户材料子程序VUMAT的准确性,该方法可以扩展到计算由三维多胞机织复合材料制造的其他工程结构件冲击响应。 论文主要工作是: 1.论述和分析改进型Hopkinson单杆装置原理和结构; 2.设计并织造以角连锁形式为基础组织的三维多胞机织物,该织物通过上下层织物接结形成多胞结构,采用真空辅助树脂转移模塑技术VARTM(vacuumaided resin transfer molding)制造三维多胞机织复合材料,该材料具有多孔结构,低面密度,高抗弯刚度; 3.采用MTS810.23材料试验机和改进型Hopkinson压杆装置测试三维多胞机织复合材料准静态和冲击下横向加载的力学性质,考察复合材料能量吸收特征和破坏模式。在准静态加载下,初阶段复合材料试件变形缓慢,表现为材料整体结构响应;当试件承受载荷达最大值后,材料发生结构破坏。多胞机织复合材料在准静态横向载荷下的力学性能与其结构相关,由于沿经纱方向试件受载时局部发生比较严重的应力集中现象,造成承载能力降低。沿纬纱方向是试件的主承力方向,试件呈现一种典型的破坏模式:材料受压面为压缩破坏,受拉面为拉伸破坏,破坏过程中未发现分层现象; 4.在横向冲击加载下多胞机织复合材料试件的极限载荷、能量吸收随冲击速度的增大而增大,且由于材料破坏的不同时性,导致载荷位移曲线的波动。纬向试件的极限载荷和能量吸收明显大于经向,这也是由于沿经纱方向试件承受冲击载荷时局部发生比较严重的应力集中现象,造成其承载能力降低。沿纬纱方向是试件的主承力方向。 5.建立基于三维多胞机织复合材料细观结构的单胞模型,单胞模型由经纱、纬纱和基体三部分组成,通过三维塑性势函数导出表达材料本构关系的弹塑性柔度矩阵;用最大应力破坏准则和临界失效面积破坏准则判断单胞中基体和纤维束的失效。 6.采用FORTRAN语言编制基于单胞模型的弹塑性本构关系、最大应力准则和临界失效面积准则的用户材料子程序VUMAT。材料失效分析时,单胞中基体失效分析采用Octahedral剪切原理和最大应力准则,纱线失效分析采用临界失效面积准则。该子程序与商用有限元程序包ABAQUS/Explicit结合,计算三维多胞机织复合材料的横向冲击响应和能量吸收。计算得到的载荷-位移曲线及最终失效模式与实验结果间有较好的一致性,证实单胞模型和用户材料子程序的可行性。通过有限元模拟可得到复合材料的冲击响应和破坏过程细节。 因为建立的单胞模型和用户材料子程序VUMAT是由三维多胞机织复合材料细观结构发展而来,因此可扩展到由三维多胞机织复合材料形成的其他工程结构件的抗冲击设计,优化其结构。


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1 唐予远;三维多胞机织复合材料冲击响应和能量吸收特征[D];东华大学;2008年
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