三维编织复合材料圆管横向冲击变形和细观结构破坏机理
本文选题:三维编织复合材料圆管 + 横向冲击 ; 参考:《东华大学》2017年博士论文
【摘要】:三维编织结构复合材料具有增强结构整体性,克服传统层合板复合材料易分层等缺点。三维编织复合材料圆管具有较高剪切强度和抗冲击损伤容限,在航空航天领域潜在应用包括:机身圆筒,尾翼轴,火箭尾喷管,传动轴等,在其它领域应用包括:建筑桁架,机械设备承载件,工业管道,自行车车架,各类球拍杆等。三维编织复合材料圆管在以上应用过程中不可避免受到冲击载荷作用。本文旨在研究三维编织复合材料圆管横向冲击响应,探讨编织结构参数对横向冲击性能影响。通过全尺寸细观结构模型有限元分析方法预测试样横向冲击力学性能、破坏过程、应力分布及传播,发现三维编织结构复合材料横向冲击变形和损伤的细观结构机理。论文主要内容:(1)实验方法研究三维编织复合材料圆管横向冲击性能,获得载荷-位移曲线,位移-时间曲线,能量吸收和最终破坏形态。探讨编织结构参数对三维编织复合材料圆管横向冲击力学响应的影响。编织参数包括编织角(15o、30o和45o),编织层数(2层、3层和4层)和轴纱(4向和5向)。(2)通过细观结构有限元分析方法探讨三维编织复合材料圆管横向冲击加载变形及破坏细观结构机理。分别探讨冲击气压、编织角、编织层数和轴纱对材料冲击损伤机理的影响,包括冲击变形历程,应力分布及传播和最终损伤模式。(3)对比分析实验结果和有限元模拟结果,验证细观结构有限元分析模型的有效性。包括载荷-位移曲线和损伤形态的对比。研究发现:(1)实验结果:冲击气压和编织参数对三维编织复合材料圆管横向冲击力学响应影响显著。随着冲击气压增大,各编织结构试样载荷峰值、位移和能量吸收均增加。随着编织角增大、编织层数增加或轴纱加入,冲击载荷峰值均增大,位移减少。编织角越小、编织层数越多或加入轴纱,试样比吸收能越大。三维编织复合材料圆管横向冲击后主要破坏模式包括:基体碎裂、界面开裂、纤维束断裂及纤维束内部劈裂。小冲击气压下,以纤维束间基体碎裂和界面开裂为主,随着冲击气压增大,纤维束开始断裂。不同编织参数对材料内部损伤机制影响较大。(2)有限元分析结果:应力主要集中在冲击区和握持区,三维编织结构增强体为主要承载组份。变形包括:圆管整体弯曲变形、截面扁化和冲击区局部凹陷。纱线在圆管中的空间状态是影响应力传播的重要因素。沿着圆管轴向,应力在小编织角纱线和轴纱中衰减较慢。随着编织角增大、编织层数增多或加入轴纱,三维编织复合材料圆管的整体性增强,从而提高材料抗冲击变形和损伤能力。(3)模型有效性验证:有限元分析获得的载荷-位移曲线和损伤形态与实验结果吻合良好,从而验证该全尺寸细观结构有限元模型有效性。其中有限元模拟载荷略高于实验结果,而模拟位移略低于实验结果,这是由于有限元模型中未考虑实际材料结构中存在的各类缺陷,如裂纹、孔洞和界面。上述研究主要针对三维编织复合材料圆管横向冲击响应,通过细观结构有限元数值分析法探讨材料受横向冲击加载变形和破坏的细观结构机理。该研究结果对三维编织复合材料圆管的结构设计具有指导价值,并可进一步将此研究方法应用于其它纺织复合材料结构设计的研究中。
[Abstract]:The three-dimensional braided composite material has the advantages of strengthening the integrity of the structure and overcoming the shortcomings of the traditional laminated composite materials. The three-dimensional braided composite circular tube has high shear strength and impact damage tolerance. The potential applications in the aerospace field include the fuselage cylinder, tail shaft, rocket tail nozzle, drive shaft and so on. The use includes: building truss, mechanical equipment loader, industrial pipe, bicycle frame, and all kinds of racket bars. The three-dimensional braided circular pipe is inevitably affected by the impact load during the above application. This paper aims to study the lateral impact response of the three-dimensional braided composite circular pipe, and discuss the influence of the weaving structure parameters to the lateral impact performance. The mechanical properties of transverse impact, failure process, stress distribution and propagation are predicted by the finite element analysis of the full size microstructural model. The main contents of the paper are as follows: (1) the experimental method is used to study the transverse impact of the three-dimensional braided circular tube. Performance, the load displacement curve, displacement time curve, energy absorption and final failure form are obtained. The influence of braiding structure parameters on the transverse impact mechanical response of three-dimensional braided composite circular tube is discussed. The knitting parameters include the braiding angle (15O, 30o and 45o), the number of braiding layers (2 layers, 3 layers and 4 layers) and the axis yarn (4 and 5 directions). (2) through the meso structure The influence of impact pressure, braiding angle, weave layer number and shaft yarn on the damage mechanism of material impact, including impact deformation process, stress distribution and propagation and final damage mode, are discussed respectively. The experimental results are compared and analyzed. (3) experimental results are compared and analyzed. The finite element simulation results are used to verify the effectiveness of the meso structural finite element analysis model, including the load displacement curve and the comparison of damage forms. The results are as follows: (1) the experimental results: the impact pressure and the braiding parameters have significant influence on the lateral impact mechanical response of the three-dimensional braided circular tube. With the increase of the impact pressure, the specimens of each woven structure are loaded. The peak load, displacement and energy absorption increased. With the increase of the knitting angle, the number of braiding layers increased or the axial yarn added, the peak value of the impact load increased and the displacement decreased. The smaller the weaving angle, the more the number of weave layers or the axis yarn, the larger the specimen's absorption energy. The main failure modes after the transverse impact of the three-dimensional braided composite pipe include the matrix fragmentation and the boundary. Fracture of surface, fracture of fiber bundle and internal splitting of fiber bundle. Under the small impact pressure, the matrix fragmentation and interface cracking are mainly in the fiber bundles. With the increase of the impact pressure, the fiber bundles begin to break. The different weaving parameters have great influence on the internal damage mechanism of the material. (2) the finite element analysis results are mainly concentrated in the impact zone and the holding area. The fabric reinforced body is the main bearing component. The deformation includes the whole bending deformation of the circular tube, the cross section and the partial sag in the impact zone. The space state of the yarn in the circular pipe is an important factor affecting the stress propagation. The stress is slow down in the small braided yarn and the axis yarn along the circular tube. With the increase of the knitting angle, the number of weave layers increases. Or adding shaft yarn, the integrity of the three-dimensional braided circular tube is enhanced, thus improving the impact deformation and damage ability of the material. (3) validation of the model validity: the load displacement curve and the damage form obtained by finite element analysis are in good agreement with the experimental results, thus verifying the validity of the finite element model of the full size meso structure. The simulation load is higher than the experimental results, and the simulated displacement is slightly lower than the experimental results. This is due to the various defects in the finite element model, such as cracks, holes and interfaces. The above study is mainly aimed at the transverse punching response of the three-dimensional braided composite circular pipe through the meso structure finite element numerical analysis method. The mesoscopic structure mechanism of material subjected to transverse impact loading deformation and failure is discussed. The results are of guiding value to the structure design of three-dimensional braided circular pipe, and can be further applied to the study of other textile composite structure design.
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB33
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 卢显清;;圆管切开模[J];机械工人;1980年10期
2 刘开录;;热解吸色谱方法中采用空心圆管扩散器的研究[J];分析化学;1980年01期
3 戚长政;;组合载荷下弹塑性圆管的不稳定界限解析[J];陕西科技大学学报;1987年04期
4 杨平;;薄壁圆管的整形[J];机械工人.冷加工;1988年09期
5 倪明星;圆管变方管成型模[J];模具工业;1989年07期
6 王幼槐;高海燕;;圆管相贯线的加工[J];机械工艺师;1989年03期
7 谈惠君;黄早文;郭芷荣;;薄壁圆管外翻问题的研究[J];锻压技术;1992年03期
8 喻健良;赵媛媛;闫兴清;;圆管受平头弹体冲击的动力响应仿真[J];石油化工设备;2012年04期
9 龚伟安;;《试论套管挤压理论中的几个问题》(一)——关于两种挤压理论的本质区别兼论圆管弹塑性失稳问题[J];石油钻采机械通讯;1979年05期
10 敖新民;;成品圆管的展开下料方法[J];矿山机械;1983年07期
相关会议论文 前10条
1 李大红;李永池;魏志刚;李赛男;;钛合金圆管的动态损伤与断裂[A];中国工程物理研究院科技年报(1999)[C];1999年
2 李英华;王悟;胡时胜;;金属圆管动态破坏实验技术研究[A];第三届全国爆炸力学实验技术交流会论文集[C];2004年
3 汤铁钢;胡海波;李庆忠;王德生;孙学林;张振涛;;内爆加载下金属圆管的热塑剪切失稳与断裂[A];中国工程物理研究院科技年报(2002)[C];2002年
4 吕文婷;王建国;;带孔薄壁圆管多轴加载下的弹塑性有限元分析[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
5 韩启富;;圆管灯具开发设计趋势探讨[A];海峡两岸第五届照明科技与营销研讨会专题报告文集[C];1998年
6 胡浩军;狄先均;李家泰;李强;王元汉;;隧道逃生管道设计中的圆管冲击计算[A];中国土木工程学会第十三届年会暨隧道及地下工程分会第十五届年会论文集[C];2008年
7 刘旭红;杨嘉陵;苏先樾;;圆管撞击的刚塑性动力响应及失效研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
8 韩长生;刘光祚;王德生;董玉斌;胡海波;胡八一;;爆炸载荷下不同材料金属圆管的膨胀运动及断裂[A];中国工程物理研究院科技年报(1998)[C];1998年
9 孙可文;李金良;梁兆正;于岩;;垂直圆管带式提升机的基本理论问题[A];中国机械工程学会物料搬运分会第四届学术年会论文集[C];1992年
10 刘传华;薛红萍;胡功笠;顾红军;;多层圆管抗冲击机理分析[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ卷[C];2001年
相关重要报纸文章 前1条
1 ;圆管圆周烫金机[N];中国包装报;2006年
相关博士学位论文 前10条
1 胡万玲;圆管管翅式换热器肋侧二次流强度及其强化传热特性研究[D];兰州交通大学;2014年
2 潘家保;润滑脂热流变特性及管路减阻研究[D];中国矿业大学;2016年
3 周海丽;三维编织复合材料圆管横向冲击变形和细观结构破坏机理[D];东华大学;2017年
4 朱进容;水平圆管自然对流换热的剪切干涉测温数值和实验研究[D];华中科技大学;2011年
5 赵金印;圆管湍流及入口挡环对圆管湍流影响的实验研究和数值模拟[D];大连理工大学;2002年
6 丁敏;微细圆管内火焰传播过程的数值研究[D];中国科学技术大学;2007年
7 李雅侠;螺旋半圆管夹套内流体流动与传热特性研究[D];天津大学;2011年
8 郭应强;圆管狭窄下游定常流湍流场力学特性的定量检测和数值模拟[D];四川大学;2003年
9 冷学礼;振动圆管外强化传热机理及污垢生长特性研究[D];山东大学;2007年
10 吴鹤翔;多胞材料及其胞元的冲击动力学特性研究[D];北京交通大学;2015年
相关硕士学位论文 前10条
1 周明月;微圆管内氢气和烷烃预混催化燃烧特性实验研究[D];浙江大学;2016年
2 李露露;基于图像处理的圆管计数研究[D];东南大学;2016年
3 赵彦霞;细长圆管内低气压直流放电中等离子体特性的数值研究[D];大连理工大学;2010年
4 胡晶晶;煤灰颗粒对圆管磨损及传热耦合的直接数值模拟[D];浙江大学;2013年
5 贺良鸿;韧性金属圆管自由翻转卷曲半径[D];清华大学;2010年
6 王特捷;铝合金薄壁柱壳的动态膨胀与剪切断裂[D];宁波大学;2014年
7 王辉尧;低速颗粒绕流圆管磨损的实验研究[D];东北大学;2014年
8 郭英利;石蜡圆管外相变蓄热与释热规律的研究[D];天津大学;2008年
9 俞鑫炉;爆炸加载下柱壳剪切断裂的机理研究[D];宁波大学;2014年
10 常亚飞;薄壁金属圆管弹塑性屈曲及耐撞性研究[D];天津大学;2010年
,本文编号:1844453
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/1844453.html