三维多向编织复合材料宏细观力学性能及高速冲击损伤研究

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三维多向编织复合材料宏细观力学性能及高速冲击损伤研究

字体大小： | | 2016-03-03 18:35

 【摘要】：三维多向编织复合材料纤维束相互交织形成立体网状结构，能够从根本上克服传统层合复合材料层间强度低、易分层的致命缺点；同时，其优异的综合力学性能，能够很好地满足航空航天领域对材料结构减重和高承载性能的要求，应用前景十分广阔。然而，材料的细观结构非常复杂，，表现出高度的非均匀性和各向异性，对其宏细观力学性能及损伤机理的研究存在较大的难度。本文采用有限元数值模拟方法，紧紧围绕多向编织材料的结构建模、刚度强度性能预测和高速冲击损伤分析等内容展开研究。主要内容包括： （1）针对三维四向、三维五向编织复合材料，基于四步法1×1编织工艺携纱器的运动规律，研究了材料各区域纱线的面内和空间运动轨迹，分析了材料内胞、面胞和角胞的纱线构型和拓扑结构特征。通过假设纱线横截面为特定形状并考虑各区域纱线的挤压状况差异，以位置节点和样条曲线拟合纱线空间轨迹，建立了三维多向编织复合材料的三单胞实体结构模型。通过分析编织工艺参数与模型细观结构参数之间的关系，以纱线横截面尺寸和内部编织角为输入参数，实现了三单胞模型的参数化。将材料的多胞结构模型和采用虚拟切割方式获得的内胞空间结构与已有试验结果进行对比，初步验证了所建三单胞模型的合理准确性。 （2）基于三维多向编织复合材料的三单胞实体结构模型，引入合适的边界条件，基于ABAQUS/Standard软件平台，采用均匀化平均思想，建立了材料弹性性能预测的三单胞有限元模型。分析了三种单胞模型力学性能的差异并给出了典型载荷下三单胞模型的细观应力分布和变形状态，探讨了编织角和纤维体积含量对材料弹性性能的影响规律。 （3）针对纺织复合材料细观有限元分析中，单胞网格的快速生成与顺利施加周期性边界条件之间的矛盾，提出了非周期性网格划分条件下，一般性周期性边界条件的数学表达形式，并通过在单胞模型的相对面、相对边及相对角点施加多点约束（MPC）方程，实现了一般性周期性边界条件在有限元软件中的施加。基于周期性网格划分和非周期性网格划分情况下三维四向编织复合材料单胞模型变形状态、应力分布及弹性性能的对比分析结果，验证了一般性周期性边界条件的正确性和有效性。 （4）基于周期性细观胞元分析思想，采用非线性有限元方法，应用ABAQUS/Standard软件平台及材料用户子程序UMAT，建立了三维多向编织复合材料的单向拉伸损伤分析模型。模型中区分了纤维束、基体和界面相三种组分材料，并结合组分材料本构关系、失效准则和材料性能退化方案，模拟了典型编织角材料的细观损伤起始、扩展和最终失效过程，分析了材料的细观损伤失效机理，并基于所得应力-应变曲线预测了材料的拉伸强度。 （5）基于ABAQUS/Explicit软件平台，通过材料用户子程序VUMAT定义三种单胞结构和材料性质，建立了三维多向编织复合材料高速冲击损伤分析有限元模型。模型中采用三维粘弹性损伤本构模型模拟组分材料的力学特性，将Tsai-Wu准则和Mises准则分别用于纤维束和基体的损伤失效判断，模拟了材料的高速冲击损伤破坏过程，探讨了冲击速度对材料弹道性能和靶板吸能特性的影响规律。

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