三維四向碳-環(huán)氧編織復(fù)合材料積累損傷及失效分析.pdf

1、三維編織復(fù)合材料是為了滿足在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)部件具有高比剛度、高比強度并且能夠抵抗多向應(yīng)力以及熱應(yīng)力的需求下設(shè)計和研制的復(fù)合材料。隨著編織工藝和成型工藝的發(fā)展，三維編織復(fù)合材料在大尺寸自動化編織和整體成型方面有著獨特的優(yōu)勢。并且三維編織復(fù)合材料具有良好的抗沖擊性能、高的損傷容限以及材料結(jié)構(gòu)可設(shè)計性等特點，使三維編織復(fù)合材料成為較有潛力的第三代纖維增強復(fù)合材料。三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件能夠廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵是對其結(jié)構(gòu)熱力學(xué)性能（強度、損傷容

2、限和可靠性）進行正確的分析及評價，但三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能依賴于復(fù)雜的細觀結(jié)構(gòu)以及細觀材料等諸多影響因素，從而本文結(jié)合宏微觀實驗，從細觀角度出發(fā)，根據(jù)三維編織復(fù)合材料細觀結(jié)構(gòu)周期性特點構(gòu)造具有代表性的細觀幾何結(jié)構(gòu)（代表體積單胞），利用細觀損傷模型，對三維編織復(fù)合材料的宏觀有效性能、損傷和失效進行了分析。
　　本文詳細綜述和分析了國內(nèi)外三維編織復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，就編織復(fù)合材料的幾何結(jié)構(gòu)、力學(xué)模型和實驗等方面進行展開，同時描述了

3、當前表征復(fù)合材料非線性力學(xué)性能的不同的損傷模型，給出了研究三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的基本思路：從三維編織復(fù)合材料宏細微觀不同層次進行分析，作為一個多尺度問題進行處理。針對三維四向編織復(fù)合材料的細觀編織結(jié)構(gòu)特點（內(nèi)部編織結(jié)構(gòu)和表面編織結(jié)構(gòu)不同），為了盡量減少三維四向編織復(fù)合材料表面編織結(jié)構(gòu)的影響，采用不同厚度和直徑的三維編織試件對三維四向編織復(fù)合材料進行拉伸和壓縮試驗研究，并且通過拉伸和壓縮試件的宏細觀破壞截面觀察，確定三維四向編織復(fù)合材

4、料的宏細觀破壞模式，為細觀損傷模型的建立提供指導(dǎo)。
　　由于三維四向編織復(fù)合材料內(nèi)部纖維束相互擠壓，使纖維束的表面纖維出現(xiàn)彎曲和扭曲現(xiàn)象。本文把代表體積單胞內(nèi)部每根纖維束的表面分成六個區(qū)域，利用隨機函數(shù)理論對扭曲纖維束表面的不同區(qū)域進行有效性能預(yù)報，結(jié)合有限元方法，施加周期邊界條件，考慮扭曲纖維束對三維四向編織復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的影響。同時利用體積平均化方法，建立考慮纖維束彎曲的代表體積單胞模型，對內(nèi)部纖維束彎曲的三維四向編織復(fù)

5、合材料的宏觀力學(xué)性能進行研究。
　　為了研究三維四向編織復(fù)合材料積累損傷破壞的過程，建立了與局部的應(yīng)變、單元的特征長度和材料的斷裂能釋放率相關(guān)的損傷演化模型，利用Murakami-Ohno損傷模型實現(xiàn)細觀組分材料剛度的折減，從而對在不同載荷作用下的不同編織角（30°和45°）的編織復(fù)合材料進行積累損傷分析。在細觀損傷模型中考慮了細觀組分材料不同的細觀破壞模式：纖維束縱向拉伸剪切和壓縮剪切、橫向拉伸剪切和壓縮剪切以及基體拉壓損傷。在

6、單軸縱向拉伸載荷作用下，利用界面單元又考慮了三維四向編織復(fù)合材料內(nèi)部纖維束/纖維束和纖維束/基體界面損傷模式，并且討論了不同界面強度對該編織材料單軸拉伸性能的影響。為了提高數(shù)值模擬的收斂速度，對損傷模型中的損傷變量進行粘性規(guī)則化，并且討論了粘性系數(shù)對數(shù)值結(jié)果的影響。在單軸縱向壓縮載荷作用下，引入了基體理想塑性模型，分析了編織復(fù)合材料內(nèi)部扭曲纖維束表面纖維初始未對齊角和纖維束縱向剪切非線性對該編織復(fù)合材料單軸縱向壓縮性能的影響。在縱向單軸

7、拉伸和壓縮模擬過程中，對編織復(fù)合材料不同組分材料的積累損傷過程進行分析，探討了細觀組分材料不同的損傷機理，通過與宏觀實驗進行對比，驗證了數(shù)值模擬的可靠性。
　　通過對三維四向編織復(fù)合材料代表體積單胞施加復(fù)雜載荷條件，對編織復(fù)合材料在復(fù)雜載荷條件下的強度進行預(yù)報，得到了編織復(fù)合材料的破壞包絡(luò)線，并且構(gòu)造了三維編織復(fù)合材料宏觀破壞準則，為編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的強度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供強度判據(jù)。該研究路線同樣適合于其他形式的編織復(fù)合材