三维机织复合材料的多尺度力学分析及疲劳性能研究

【摘要】：本论文的研究分为两部分。第一部分采用多尺度的有限元方法研究了圆管状三维机织复合材料的力学性能,第二部分对一种三维机织复合材料的疲劳刚度下降进行了试验研究和细观有限元模拟。 第一部分: 1.建立了圆管状三维机织复合材料的微、细观多尺度单胞模型,用微观单胞描述了纱线束中纤维和基体两相材料的非均匀性;用细观扇形单胞代表圆管中纤维束的细观几何。分别讨论了微、细观单胞满足的周期性边界条件,给出了单胞上平均应力、应变的计算方法。用商用软件多点约束法的方法实现了上述微,细观单胞多轴荷载下的周期性边界条件。 2.用上述多尺度的单胞模型对一种圆管状三维机织复合材料结构进行了多尺度耦合分析。首先由微观单胞计算出纤维束的平均弹性常数;再通过细观单胞分析,得到材料的宏观弹性常数。实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能。随后研究了复杂荷载下从大到小各尺度耦合的应力分析。对于圆管环向应力非周期分布的情况,建立了嵌入细观单胞的环状模型。 第二部分: 1.对一种三维机织复合材料分别进行了静态拉伸及拉-拉疲劳性能试验,得到了试验件的初始刚度,静强度和疲劳载荷下剩余刚度退化曲线,对试验件疲劳损伤演化进行拍摄了,并对疲劳断裂后的试验件的微、细观断裂面进行了观察,总结出材料的疲劳损伤机理。 2.建立了上述三维机织复合材料疲劳损伤的有限元模型,对疲劳加载进行了模拟,研究了疲劳累积损伤下材料力学性能的退化模式,给出了材料的疲劳失效判断准则和疲劳剩余刚度退化模型。利用商用软件ABAQUS的UMAT用户子程序功能实现了疲劳累积损伤的有限元模拟。