紡織復合材料沖擊壓縮性質結構效應：實驗表征和有限元分析.pdf

1、紡織結構復合材料是以織物作為增強結構形成的復合材料，織物結構對復合材料性質有顯著影響。研究織物結構對復合材料力學性質影響一直是紡織結構復合材料的重要課題。本論文聚焦于紡織復合材料沖擊壓縮的結構效應，采用實驗表征和有限元方法研究二維平紋層壓復合材料、三維正交機織和三維編織復合材料在準靜態(tài)和高應變率壓縮下的變形和破壞形態(tài)以及加載應力應變行為。發(fā)現(xiàn)在不同應變率條件下，紡織復合材料壓縮性質的應變率效應和失效機制，同時增強織物對壓縮應力應變行為有

2、不同的表現(xiàn)形式。通過有限元分析，解釋產(chǎn)生上述現(xiàn)象的機理。
　　論文主要工作和科學發(fā)現(xiàn)是：
　　(1)分別用MTS材料試驗機和分離式Hopkinson壓桿裝置測試二維平紋層壓復合材料、三維正交機織和三維編織復合材料準靜態(tài)和高應變率壓縮性質。通過不同應變率下的應力-應變曲線和試件破壞形態(tài)分析各復合材料的應變率效應和破壞模式。結果顯示紡織結構增強聚乙烯基酯樹脂復合材料均具有明顯應變率敏感性和各向異性。
　　(2)對比上述三種

3、紡織復合材料在不同應變率下的壓縮性質，分析不同織物增強相對復合材料壓縮性質影響以及對應變率的敏感性。結果發(fā)現(xiàn)，面外壓縮時，平紋層壓復合材料的壓縮剛度、強度以及應變率敏感性都最高，而編織復合材料最弱。但當應變率大于1500 s-1以后，編織復合材料能量吸收能力最高，平紋層壓復合材料能量吸收能力最弱。面內壓縮時，平紋層壓復合材料的面內壓縮剛度最大而面內能量吸收能力最低，正交機織復合材料的面內壓縮強度最高，編織復合材料的斷裂應變最大、面內能量

4、吸收能力以及應變率敏感性都最高。這說明三維織物增強復合材料受面內壓縮時能量吸收能力明顯優(yōu)于二維層壓復合材料。
　　(3)觀察復合材料試件破壞形態(tài)照片分析其破壞模式。二維平紋層壓復合材料在受面外壓縮時，破壞形式以纖維剪切斷裂和樹脂局部壓碎為主；受面內壓縮時，破壞形式以分層和樹脂剪切為主。三維正交機織復合材料厚度方向壓縮以經(jīng)紗纖維剪切斷裂為主；而受經(jīng)向或緯向加載時，以“掃帚”形破壞端面為主且無分層發(fā)生。四步法編織復合材料受面內外壓縮載

5、荷時，各方向上的破壞模式都以試件表面樹脂脫落、纖維束取向發(fā)生較大變化并且纖維束間內部樹脂失效為主。研究發(fā)現(xiàn)三維復合材料具有明顯的抗壓縮分層能力。
　　(4)通過有限元介觀結構模型模擬各復合材料壓縮變形過程，重點闡述復合材料中紡織結構增強相的結構效應和破壞機理。從有限元介觀模型輸出結果可知，對于每種紡織結構復合材料，不同方向上的動態(tài)壓縮過程都可以分為三個階段：應力波前鋒傳透、試件整體承力、破壞發(fā)生與發(fā)展。這三個階段的力學響應不僅與組

6、成復合材料的各組分材料力學性質有關，而且更取決于紡織增強相的結構特征。從介觀纖維束尺度分析織物增強相的壓縮破壞主要發(fā)生在纖維束空間曲線的曲率發(fā)生變化的區(qū)域，且曲率變化越大越容易產(chǎn)生破壞；或者在曲率值最大的區(qū)域容易產(chǎn)生應力集中。
　　(5)結合試驗應力應變曲線和試件破壞形態(tài)分別與對應的有限元預測結果作比較，以驗證有限元模型的有效性。對比結果發(fā)現(xiàn)兩者都具有較好的一致性。因此，該有限元模型可以為該類材料的優(yōu)化設計及其力學性質分析提供一種