三維五向編織復(fù)合材料全場力學(xué)響應(yīng)特性及細觀損傷分析.pdf

1、三維編織復(fù)合材料具有低密度、高比剛度、高比強度、良好抗損傷容限、耐沖擊和抗疲勞等優(yōu)異力學(xué)性能，從根本上克服了層合復(fù)合材料易分層破壞等致命缺陷，因而在工程領(lǐng)域廣受青睞。近年來，隨著三維編織織造技術(shù)的日益成熟及機械自動化程度的不斷提高，三維編織復(fù)合材料有望在充分發(fā)揮高效減重及低成本優(yōu)勢的前提下，利用其預(yù)成型體結(jié)構(gòu)靈活多變和可設(shè)計性強的特點，實現(xiàn)材料性能的“特定規(guī)劃”及復(fù)雜異型構(gòu)件的近凈尺寸制備，可避免因材料拼接而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷，從而成為航天

2、航空部分特殊主承力構(gòu)件和功能構(gòu)件的理想候選結(jié)構(gòu)材料。然而，三維編織復(fù)合材料纖維束交織構(gòu)造復(fù)雜，且全場纖維束取向、擠壓形態(tài)和分布比例將會隨構(gòu)件形狀或性能要求而發(fā)生變化，這就導(dǎo)致全場細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)高度異質(zhì)，給其力學(xué)性能分析帶來了很大難度。本文以三維五向編織復(fù)合材料為研究對象，采用試驗、理論模型和數(shù)值模擬方法對材料的全場力學(xué)響應(yīng)及細觀損傷進行了研究。主要內(nèi)容包括:
　　(1)采用島津萬能材料試驗機和DIC非接觸全場應(yīng)變分析儀測試了三維五向

3、編織復(fù)合材料在縱向拉伸、縱向壓縮、橫向拉伸和橫向壓縮載荷下的力學(xué)性能，重點分析了邊界條件對三維五向編織復(fù)合材料不同載荷下全場力學(xué)特性及失效機制的影響。研究結(jié)果表明，切邊造成了三維五向編織復(fù)合材料邊界處纖維束不連續(xù)，同時伴有邊界裂紋等缺陷產(chǎn)生及擴展，致使三維五向編織復(fù)合材料全場應(yīng)變分布及失效機制發(fā)生改變。
　　(2)根據(jù)四步法三維五向編織攜紗器的運動規(guī)律，研究了三維五向編織預(yù)成型體內(nèi)部、表面和棱角區(qū)域的紗線運動軌跡和細觀拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)

4、合觀測的紗線真實截面及擠壓形態(tài)，建立了基于三單胞模型的宏觀桿模型及宏觀均質(zhì)模型。在此基礎(chǔ)上，建立了纖維嵌入基體有限元模型和多尺度有限元模型，利用商用有限元軟件ABAQUS/Standard獲得了三維五向編織復(fù)合材料的全場力學(xué)特性，從宏觀上探討了編織角和邊界條件等因素對三維五向編織復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，纖維嵌入基體模型能夠成功捕捉三維五向編織復(fù)合材料在不同載荷下的全場位移、應(yīng)變和應(yīng)力分布圖像，通過與試驗結(jié)果對比，驗證了纖維

5、嵌入基體模型的正確性和合理性。
　　(3)基于內(nèi)部單胞實體模型，建立了包含材料初始損傷準則、損傷演化及損傷本構(gòu)的細觀漸進損傷模型，并編寫了用戶自定義程序UMAT，預(yù)報了三維五向編織復(fù)合材料在不同單軸載荷下的強度值，模擬了三維五向編織復(fù)合材料在縱向拉伸、縱向壓縮、橫向拉伸和橫向壓縮載荷下的損傷起始、擴展和最終失效過程，分析了三維五向編織復(fù)合材料的細觀損傷失效機制，通過與試驗進行對比，驗證了數(shù)值模擬的可靠性。
　　(4)通過對三

6、維五向編織復(fù)合材料在雙軸載荷下的強度特性進行研究，給出了三維五向編織復(fù)合材料強度準則的簡單構(gòu)造形式，繪制了失效包絡(luò)線，并與Tsai-Wu準則、Tsai-Hill準則對應(yīng)的失效包絡(luò)線進行了對比。結(jié)果顯示，本文給出的強度準則在一定程度上能夠較好地表征三維五向編織復(fù)合材料在雙軸載荷作用下的力學(xué)行為。
　　(5)基于多尺度分析模型，利用ABAQUS二次開發(fā)平臺，開發(fā)了新的圖形用戶界面，采用Python語言編寫了三維五向編織復(fù)合材料的虛擬設(shè)