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多轴向经编复合材料等效力学性能预测方法研究

曹勇  
【摘要】:多轴向经编织物又称经编针织无皱褶织物(Warp-knitted non-crimp fabric,NCF)是由一组或多组在各自方向平行排列的单向丝束通过厚度方向的经编线圈捆绑在一起形成的纺织物(Textile)。NCF复合材料相比传统单向预浸带复合材料,具有预成形成本低、层间性能高的优点,使其在制造几何形式复杂、厚度较大的复合材料零件时更加具有吸引力。在航空领域中,NCF复合材料作为一种新兴材料,对其力学性能和分析方法的研究受到了广泛关注。然而,NCF复合材料的力学性能既受材料组分的影响,又与针织工艺有关,这增加了这类复合材料力学分析中建模和计算的难度。在工程研究中需要一种建模简单、计算效率高的分析方法用于评定NCF复合材料的力学性能。为此,本文从NCF复合材料的制造工艺出发,在NCF复合材料细观几何结构特征、有效层力学性能获取策略、复合材料三维应力计算方法、有效层刚度和强度预测模型及具体工程应用五个方面,开展了NCF复合材料等效力学性能的预测方法研究,以用于NCF复合材料的工程分析之中,主要研究内容和结果如下:(1)NCF复合材料细观结构的综合研究NCF复合材料细观结构特征是预测等效力学性能的主要输入因素之一,而现有文献对NCF的内部几何结构特征认识并不统一。为此,首先明确了NCF在纺织结构成型学中所属范畴,接着研究了NCF的制造工艺特征及NCF复合材料的多尺度材料特征,指出了根据织物制造过程中横向引纬工艺的差别,可将NCF分为开结构和连续铺层结构两种形式。开结构NCF复合材料中纤维束弯曲发生在面外,形成沟槽形富树脂区;连续铺层NCF复合材料中纤维束弯曲发生在面内,会出现沟槽和长菱形富树脂区。(2)NCF复合材料有效层力学性能获取策略研究预测NCF复合材料等效力学性能需确定NCF复合材料有效层的具体形式。基于此目的,首先分析了NCF复合材料整体针织层和纤维方向层的特点,确定了将一个纤维方向层作为一个“有效层”,从而构成NCF复合材料的“等效单层”假设。接着,为获取等效单层的力学性能,提出了一种单层分解建模方法,该方法基于NCF复合材料的准层合板假设和复合材料许用值试验的原理。最后,明确了预测NCF复合材料等效单层力学性能的流程,并建立了包含大裂缝、小裂缝和沟槽的NCF复合材料单层胞元模型,以用于多尺度预测NCF复合材料等效单层刚度和强度。(3)复合材料三维应力分析及基于界面层的层间应力计算方法三维应力分析存在于NCF复合材料多尺度分析的各个尺度,此外,因NCF具有多层一体和预成形成本低的特点,NCF常用于制造厚度较大的复合材料零件,而复合材料厚板分析过程中,厚度方向力学性能问题不能忽略,同时,考虑到复合材料的层间强度较低,三维应力分析中求解层间应力的大小和分布应重点关注。为此,开展了复合材料三维应力分析及层间应力计算方法的研究,提出了基于零厚度界面层求解复杂边界条件下层间应力的方法,采用此方法,发现了一种位于螺栓头外侧边缘的层合板内部的层间应力集中现象,而传统理解的层间应力集中只发生在层合板自由边。(4)基于单层分解建模方法评定NCF复合材料等效单层刚度和强度采用分解建模方法建立NCF复合材料单层细观胞元模型后,需通过具体的力学计算模型预测单层力学性能,输出等效单层均匀化刚度和强度属性。采用数值均匀化模型评定了NCF复合材料等效单层刚度,发现了纤维束面内弯曲对连续铺层NCF复合材料单层刚度影响并不明显的现象。为评定NCF复合材料等效单层强度,修正了Tsai-Wu失效准则用于预测横向各向同性干纤维失效;选择了不同的塑性变形及屈服模型用于描述纯基体在不同载荷下的变形行为;提出了一种含剪切非线性本构的复合材料损伤分析模型,根据分析发现纤维束面内弯曲会折减纵向强度10%以上。(5)孔边黏合套筒的NCF复合材料超厚壁起落架侧撑杆耳片失效分析为研究复合材料起落架侧撑杆耳片失效特征,根据F-16战斗机和B787客机起落架侧撑杆结构设计方案,设计了NCF复合材料超厚板耳片孔边结构。针对复合材料超厚板铺层数量较多带来的有限元建模复杂性问题,提出了采用层合板子层和界面层相结合的建模方法,并基于本文所提出的NCF复合材料等效力学性能预测方法,确定了等效单层刚度和强度参数。进而,建立了孔边黏合防护套筒的超厚板耳片三维有限元模型,研究了套筒刚度对孔边应力分布的影响,并进一步探讨了耳片孔边的失效模式。发现了孔边防护套筒胶层的破坏应力和破坏位置主要集中在孔边大于90~o的孔轴非接触区,使用刚度较大的金属套筒会使套筒胶层的承载能力下降的现象。根据这些现象,给出了一种含套筒复合材料耳片特有失效模式——套筒黏合失效,这可为飞机设计师更全面的考虑复合材料超厚板耳片的失效模式提供参考。


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