三維正交機織復(fù)合材料彎曲疲勞損傷及演化數(shù)值研究.pdf

1、三維正交機織物由兩兩互相垂直的經(jīng)紗和緯紗在各自的平面內(nèi)平鋪排列，Z紗貫穿于織物的厚度方向并交錯捆綁緯紗，整體性好。由三維正交機織物增強樹脂形成的三維正交機織復(fù)合材料因而具有較高的面內(nèi)剛度和強度及抵抗分層能力，可以用來制造各種結(jié)構(gòu)的主要承載構(gòu)件，被廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。復(fù)合材料在長期的使用過程中由于外力和環(huán)境的作用發(fā)生損傷和破壞，疲勞損傷為其主要破壞形式之一。本文結(jié)合三點彎曲疲勞實驗和有限元分析研究三維正交機織復(fù)合材料在彎曲循

2、環(huán)載荷下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)與疲勞損傷。
　　由三維正交機織復(fù)合材料三點彎曲準靜態(tài)實驗得到材料的最大失效應(yīng)力和最大撓度，在35％、40％、50％、60％、70％、80％及90％應(yīng)力水平下對材料施加正弦波形式循環(huán)載荷，經(jīng)彎曲疲勞測試得到材料的疲勞壽命(S-N)曲線及材料的破壞形態(tài)。
　　基于三維正交機織物和復(fù)合材料試樣結(jié)構(gòu)及組分含量，沿纖維樹脂復(fù)合紗線單胞——紗線樹脂單胞——全尺寸三維實體模型，建立有限元分析模型。定義玻璃纖維紗線和樹脂

3、為彈塑性體，由滯后能準則控制材料破壞。根據(jù)彎曲疲勞實驗情況對幾何模型進行邊界條件設(shè)置，以60％應(yīng)力水平等效位移加載，計算得到材料的應(yīng)力分布、能量吸收、剛度降解及破壞形態(tài)。對比實驗與有限元結(jié)果，分析三維正交機織復(fù)合材料特殊的結(jié)構(gòu)效應(yīng)及循環(huán)載荷下的疲勞損傷特性。
　　經(jīng)實驗和有限元研究，得到如下結(jié)論:
　　(1)實驗表明材料的疲勞壽命隨著應(yīng)力水平的下降而上升。試樣上表面的破壞面積隨應(yīng)力水平的下降而減小，下表面呈現(xiàn)與之相反的規(guī)律;

4、
　　(2)有限元模擬應(yīng)力分析表明:應(yīng)力隨著循環(huán)次數(shù)的增加，出現(xiàn)退化趨勢。沿材料厚度方向呈對稱分布，對稱面應(yīng)力最小，向兩邊應(yīng)力逐漸增大，對稱位置靠上表面處受到的應(yīng)力相較下表面更大。沿經(jīng)紗長度方向，應(yīng)力以加載位置為中心向兩邊傳遞，離加載位置越遠，受力越小，產(chǎn)生的變形越小。
　　(3)三維正交機織物增強體中經(jīng)紗沿長度方向伸直的特殊結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合材料在經(jīng)向彎曲疲勞加載過程中應(yīng)力傳遞到更大區(qū)域，經(jīng)紗為材料最主要的承載和吸收能量部件，