柔性機(jī)織復(fù)合材料撕裂和頂破損傷機(jī)制的有限元分析.pdf

1、紡織結(jié)構(gòu)柔性復(fù)合材料在柔性防彈/防刺防護(hù)材料、輕結(jié)構(gòu)建筑、油料運(yùn)輸管等領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力。相比于剛性紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,柔性復(fù)合材料在服役過程中不可避免地涉及撕裂和頂破加載情況。研究柔性復(fù)合材料撕裂和頂破行為有十分重要的實(shí)際意義。本課題以機(jī)織物和柔性復(fù)合材料為研究對象,采用實(shí)驗(yàn)研究和有限元分析兩種方法比較機(jī)織物和柔性復(fù)合材料的撕裂和頂破性能差異,從細(xì)觀結(jié)構(gòu)層面揭示撕裂和頂破損傷機(jī)制。實(shí)驗(yàn)研究主要得到機(jī)織柔性復(fù)合材料撕裂和頂破過程的載荷-

2、位移曲線以及破壞形態(tài)。其中,撕裂性能測試采用美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM D885-07中推薦的梯形試驗(yàn)方法;頂破性能測試采用圓形試樣。撕裂和頂破測試速度均為100mm/min。通過比較分析機(jī)織物和柔性復(fù)合材料撕裂和頂破性能之間的差異,考察破壞模式的細(xì)觀結(jié)構(gòu)機(jī)制。有限元分析數(shù)值仿真基于柔性機(jī)織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu),建立機(jī)織物和柔性復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)幾何模型,結(jié)合纖維束和基體力學(xué)性質(zhì)參數(shù),計(jì)算撕裂和頂破動(dòng)態(tài)過程,揭示破壞區(qū)域的應(yīng)力分布和纖維束斷裂

3、、滑移,提出細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對撕裂和頂破的影響。研究主要結(jié)論是:(1)織物撕裂:影響機(jī)織物梯形撕裂性能主要因素包括:經(jīng)、緯紗拉伸性質(zhì)、摩擦系數(shù)、織物經(jīng)緯密和緊度參數(shù)。撕裂三角區(qū)受上述因素影響,導(dǎo)致三角區(qū)有不同形態(tài)、大小和應(yīng)力分布,使織物在撕裂過程中紗線間滑移性質(zhì)、撕裂斷口形態(tài)和撕裂強(qiáng)度存在顯著差異。(2)柔性復(fù)合材料撕裂:柔性復(fù)合材料撕裂強(qiáng)力與機(jī)織物撕裂強(qiáng)力差異不大,由于受集體對纖維束的固結(jié)作用,柔性復(fù)合材料的撕裂軌跡沿直線擴(kuò)展,撕裂破壞區(qū)

4、域明顯小于機(jī)織物的損傷區(qū)域?？椢锿繉釉黾恿思喚€與紗線之間的連接點(diǎn),限制了經(jīng)緯紗之間的滑動(dòng),減少了撕裂三角區(qū)的大小,但由于涂層本身也貢獻(xiàn)撕裂強(qiáng)力,使柔性復(fù)合材料撕裂強(qiáng)力與機(jī)織物撕裂強(qiáng)力無明顯差異。(3)織物頂破:影響機(jī)織物頂破性能主要因素有:織物的經(jīng)緯密度、紗線拉伸性能和紗線間摩擦系數(shù)等。織物的頂破過程可以分為以下三個(gè)階段:(Ⅰ)開始階段:刺錐開始接觸織物,與刺錐直接接觸的紗線開始伸直;(Ⅱ)中間階段:隨著刺錐的逐步深入,部分紗線斷裂,織

5、物撓度逐漸變大;(Ⅲ)與刺錐直接接觸的紗線脫離機(jī)織物表面,直至斷裂。紗線斷裂的不同時(shí)性導(dǎo)致頂破載荷-位移曲線上的波動(dòng)。(4)柔性復(fù)合材料頂破:柔性復(fù)合材料頂破強(qiáng)力遠(yuǎn)大于機(jī)織物頂破強(qiáng)力,頂破損傷面積也比機(jī)織物要小?？椢锿繉幼柚菇?jīng)緯紗之間的滑動(dòng),防止刺錐尖端與紗線的直接接觸,均勻集中應(yīng)力。雖然涂層本身的承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于增強(qiáng)機(jī)織物,但涂覆涂層顯著提高了柔性復(fù)合材料的頂破性能。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果證實(shí)有限元數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性,基于該仿真模型可以在揭示撕裂