三維正交機織復(fù)合材料三點彎曲循環(huán)加載初期損傷特征.pdf

1、三維正交機織復(fù)合材料是一類重要的三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，與傳統(tǒng)層合板復(fù)合材料相比，在厚度方向加入了Z紗系統(tǒng)，故三維正交機織復(fù)合材料具有較高的層間分層阻抗和較高的面內(nèi)強度，在高速車輛等工程結(jié)構(gòu)件中有較廣泛的應(yīng)用。鑒于復(fù)合材料在長期服役期，其抗疲勞性能甚為關(guān)鍵，研究其彎曲疲勞性能對三維正交復(fù)合材料的應(yīng)用有重要意義。本文旨在綜合實驗和有限元計算結(jié)果，分析三維正交機織復(fù)合材料在三點彎曲循環(huán)加載初期的損傷機理。
　　 本文研究思路如下:

2、r>　　 (1)制備試件，并通過準(zhǔn)靜態(tài)三點彎曲實驗得到材料沿經(jīng)、緯兩個方向的彎曲剛度、彎曲強度等;設(shè)置不同應(yīng)力水平，對長度方向沿經(jīng)向的試件進行三點彎曲循環(huán)加載實驗。
　　 (2)基于“紗線-樹脂”的結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建三維正交機織復(fù)合材料的細觀結(jié)構(gòu)模型;基于“纖維-樹脂”的有限元模型，得到紗線的彈性剛度以及失效應(yīng)力。
　　 (3)將紗線和樹脂定義為彈塑性材料，基于滯后能準(zhǔn)則定義材料的破壞，并構(gòu)建全尺寸試件承受三點彎曲循環(huán)加載

3、的有限元模型。
　　 (4)定義材料界面裂紋的初始與擴展，構(gòu)建包含預(yù)制裂紋的材料在三點彎曲循環(huán)加載下的有限元模型。
　　 在實驗的基礎(chǔ)上，利用有限元分析方法，結(jié)合經(jīng)典疲勞破壞準(zhǔn)則:
　　 (1)計算出三維正交機織復(fù)合材料在交變循環(huán)載荷下的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)，描述材料在一個應(yīng)力循環(huán)中的變形，并通過計算割線模量，得到實驗和有限元計算的材料剛度降解曲線，二者趨勢基本吻合。
　　 (2)描述應(yīng)力在材料結(jié)構(gòu)中的分布特征。

4、試件在承載過程中，應(yīng)力集中于中部，且呈層狀分布，在中層形成一個中性面。中部頂、底層材料分別受到最大的壓、拉應(yīng)力。另外，提取不同組分的應(yīng)力歷史和能量吸收歷史知，經(jīng)紗承擔(dān)大部分載荷，在整個試件承載過程中吸收超過60％的能量。
　　 (3)指出材料破壞的關(guān)鍵區(qū)域。加載初期，在經(jīng)緯紗交匯處、Z紗L拐角處等樹脂富集區(qū)因材料受到層間剪切作用或應(yīng)力集中作用，易發(fā)生樹脂的破壞;隨著加載的繼續(xù)，紗線-樹脂界面裂紋（脫粘）的萌生與擴展，Z紗起到重要