三維正交機(jī)織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)-低周疲勞多尺度力學(xué)響應(yīng)與損傷分析.pdf

1、與傳統(tǒng)層合板復(fù)合材料相比，三維正交機(jī)織物復(fù)合材料具有有效層間分層阻抗、顯著斷裂韌性、較高面內(nèi)強(qiáng)度和損傷容限。在輕質(zhì)飛行器、艦艇和高速車輛等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力。本文旨在進(jìn)行三維正交機(jī)織物復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)/循環(huán)拉伸循環(huán)載荷下力學(xué)響應(yīng)與損傷機(jī)理多尺度有限元分析。
　　 本文研究思路如下:(1)將三維正交玻璃纖維機(jī)織物和不飽和樹脂在室溫下采用VARTM成型技術(shù)加工成三維正交機(jī)織物復(fù)合材料;(2)依據(jù)纖維束（經(jīng)紗、緯紗和Z紗）體系結(jié)構(gòu)、纖

2、維等體積含量原則和周期性邊界條件，建立細(xì)觀/中觀/宏觀跨尺度幾何單胞模型;(3)以幾何單胞模型和其內(nèi)纖維/基體性質(zhì)為起點(diǎn)，用Fortran90語言編寫含有裂紋生成和損傷演化及交換準(zhǔn)則多尺度用戶定義材料子程序（User-definedmaterialsubroutine，UMAT）;(4)將用戶定義子程序（UMAT）導(dǎo)入商用有限元軟件ABAQUS/Standard分別計(jì)算準(zhǔn)靜態(tài)/循環(huán)拉-拉循環(huán)載荷力學(xué)響應(yīng)和損傷演化;(5)對(duì)比分析預(yù)測和實(shí)

3、驗(yàn)結(jié)果，二者比較吻合;此外，該多尺度材料破壞失效和循環(huán)加載行為預(yù)測子程序模型適應(yīng)性和可靠性還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，尤其是復(fù)合材料復(fù)雜異形構(gòu)件多軸向/循環(huán)載荷加載。
　　 論文主要工作有:
　　 (1)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和三點(diǎn)彎曲測試:測試其準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和三點(diǎn)彎曲性能，獲取其載荷-撓度曲線、最大強(qiáng)度、損傷和斷裂形貌等特征;初步分析準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和三點(diǎn)彎曲加載方式試樣力學(xué)響應(yīng)特征和損傷失效機(jī)制;
　　 (2)循環(huán)拉伸疲勞測試:在應(yīng)變控

4、制加載下，用MTS-810試驗(yàn)機(jī)測定啞鈴形狀試樣循環(huán)拉伸疲勞力學(xué)響應(yīng)和損傷演化過程。根據(jù)不同應(yīng)變水平下一定周期載荷后局部損傷分布和特征分析試樣疲勞損傷機(jī)制;
　　 (3)多尺度幾何單胞模型:三維正交機(jī)織物復(fù)合材料面內(nèi)呈周期性分布，依據(jù)其經(jīng)緯紗密度、纖維束層數(shù)和Z向厚度等尺寸參數(shù)和纖維束交織結(jié)構(gòu)形態(tài)，首先，建構(gòu)含有樹脂基體纖維束層次中觀單胞幾何模型(Meso-RUC);其次，根據(jù)試驗(yàn)試樣和多尺度單胞幾何模型中纖維等體積原則，建立僅

5、含有纖維和基體兩相組分細(xì)觀單胞幾何模型（Micro-RUC），其中單纖維在樹脂基體中呈正六邊形周期性分布;為充分研究三維正交機(jī)織物復(fù)合材料表面和內(nèi)部區(qū)域內(nèi)在結(jié)構(gòu)差異，因其經(jīng)緯紗系統(tǒng)在內(nèi)部區(qū)域沿厚度方向周期性排列，分別提取內(nèi)層單胞幾何模型(Innermeso-RUC)和表層單胞幾何模型(Surfacemeso-RUC)。最后，建立宏觀層次試樣模型(Macro-scalebeam)，宏觀尺度模型在有限元分割時(shí)其單元厚度分別對(duì)應(yīng)于內(nèi)層單胞與表

6、層單胞厚度尺寸，試樣和模型沿厚度方向經(jīng)緯紗線層數(shù)相同。采用主-從節(jié)點(diǎn)技術(shù)將周期性邊界條件（Periodicboundaryconditions，PBCs）分別應(yīng)用到細(xì)觀/中觀單胞幾何模型;
　　 (4)多尺度準(zhǔn)靜態(tài)用戶定義子程序材料模型（UMATs）:根據(jù)多尺度幾何單胞及對(duì)應(yīng)組分材料屬性，用Fortran90語言編寫含有彌散裂紋(Smearcrack)、損傷演化（Post-damageconstitutivemodel）和損傷球

7、面加載/卸載交換準(zhǔn)則(Switchrule)多尺度彈性和粘彈性本構(gòu)關(guān)系用戶定義子程序（UMAT）。在細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型中（僅含有纖維和樹脂基體），分別編寫最大主應(yīng)力/應(yīng)變彌散裂紋失效各向同性和非線性粘彈性本構(gòu)關(guān)系用戶定義子程序(UMAT)，基于纖維/基體性質(zhì)和細(xì)觀單胞(Micro-RUC)，在主節(jié)點(diǎn)獨(dú)立施加正應(yīng)變/剪應(yīng)變載荷，分析細(xì)觀單胞模型力學(xué)響應(yīng)和損傷演化;在中觀結(jié)構(gòu)模型中（Meso-RUC，僅含有浸潤基體纖維束（對(duì)應(yīng)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型）和純樹

8、脂（填充于纖維束之間）兩相組份），纖維束被定義為軸向和橫向最大強(qiáng)度彌散裂紋獨(dú)立失效（最大強(qiáng)度來自上一尺度單胞軸向和橫向強(qiáng)度值）橫觀各向同性材料模型，樹脂基體被定義為各向同性或非線性粘彈性最大主應(yīng)變失效模型。最后，基于內(nèi)層/表層單胞力學(xué)參數(shù)和失效強(qiáng)度，編寫基于正應(yīng)力最大強(qiáng)度彌散裂紋獨(dú)立失效（表層/內(nèi)層單元最大失效強(qiáng)度來自上一尺度單胞正向強(qiáng)度值）正交各向異性彈性本構(gòu)關(guān)系子程序(UMAT)，預(yù)測長條試樣宏觀模型三點(diǎn)彎曲力學(xué)行為和損傷;

9、　　 (5)多尺度循環(huán)加載行為預(yù)測用戶定義子程序材料模型（UMAT）:根據(jù)上述多尺度準(zhǔn)靜態(tài)用戶定義子程序材料模型，將表征加載/卸載條件轉(zhuǎn)換規(guī)則(Switchrule)導(dǎo)入粘彈性本構(gòu)關(guān)系子程序;沿用上述多尺度單胞模型力學(xué)參數(shù)和失效強(qiáng)度傳遞機(jī)制:纖維/基體→細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型→中觀結(jié)構(gòu)模型→宏觀結(jié)構(gòu)模型。預(yù)測循環(huán)加載載荷下多尺度單胞力學(xué)行為和裂紋生成與損傷演化;
　　 (6)驗(yàn)證上述多尺度單胞幾何模型和材料模型可行性和適應(yīng)性:將上述多尺

10、度用戶定義子程序材料模型(UMATs)導(dǎo)入多尺度單胞幾何模型并在商用有限元軟件ABAQUS/Standard運(yùn)行;模擬三維正交機(jī)織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸、準(zhǔn)靜態(tài)彎曲和拉伸疲勞力學(xué)行為和裂紋損傷過程，其預(yù)測結(jié)果得到試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證并進(jìn)一步揭示試樣力學(xué)響應(yīng)特征和損傷失效機(jī)理。
　　 本文多尺度有限元分析技術(shù)可擴(kuò)展到其它復(fù)雜紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)響應(yīng)、裂紋損傷和循環(huán)加載行為預(yù)測，并可進(jìn)一步應(yīng)用于輕質(zhì)飛行器、高速車輛和防護(hù)裝備等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度