基于宏—细观多尺度建模的机织复合材料渐进损伤和失效分析

发布时间：2019-09-20 20:11

【摘要】：近年来在工业生产对复合材料需求逐年增加的大背景下,针对纤维增强复合材料的刚度、强度和损伤机理研究一直是固体力学学科的热点和难点问题。很多学者分别从试验、理论和仿真方面给出了解答,但仍然有两大问题亟待解决。主要包括:机织复合材料在准静态载荷作用下的渐进损伤机理定性及定量描述;适用于机织复合材料的损伤准测和失效模型的提炼与选择。本文在开展机织复合材料准静态拉伸和压缩试验的基础上,利用从试验获取的宏、细观力学特征,主要包括:应力-应变曲线、声发射能量累积曲线和全场应变结果,总结该材料的损伤规律和失效特点,而后从细观尺度出发,基于连续性损伤力学和渐进损伤演化理论,提出一个修正的材料本构模型,对机织复合材料渐进损伤和失效进行分析和预测。本文的具体工作如下:首先,通过实验对斜纹机织复合材料进行了拉伸和压缩试验,分析机织复合材料的破坏过程。为了分析机织材料准静态的材料内部的细观失效模式的状态和历程,以及对材料宏观力学响应的影响,试验借助声发射(AE)监测手段分析材料内部损伤状态随外载荷的演化规律。采用数字图像相关法(DIC)分析材料的宏观应变场的应力分布随载荷和损伤的变化历程。通过准静态试验过程和结果,基于声发射信号和全场应变分布随整个加载破坏行为的历程变化,结合宏观力学响应和细观损伤渐进过程中的信息,分析宏观、细观损伤演化规律。为渐进损伤分析模型提供试验基础。其次,数值分析部分。根据世界范围竞赛对不同的失效准则排名的结论,基于Puck失效准则和扩展的三维Hashin失效准则,提出一个考虑细观失效机制的渐进损伤模型。从细观角度,考虑组份材料不同的破坏模式。主要将纤维束的失效模式分为纤维失效模式(FF)和纤维间失效模式(IFF)。基于三维的A.Matzenmiller各向异性损伤本构方程,引入了表征不同失效模式的损伤内变量。结合ABAQUS用户子程序接口,编写了基于Puck和Hashin失效准则的渐进损伤演化模型的VUMAT子程序。最后,应用上述模型对T800H-6k/803A碳纤维双马树脂基织物复合材料开展渐进损伤分析,并对比数值计算和试验分析结果。根据机织复合材料的实际尺寸提取了代表性体积单胞;建立几何模型;导入Hypermesh前处理软件划分周期性网格。在商业有限元软件Abaqus中施加周期性边界条件,并分析单轴拉伸载荷下材料的渐进损伤和失效行为。将基于代表性体积单胞的渐进损伤演化分析结果与声发射监测获取的损伤演化信息对比,验证理论模型和用户子程序的可靠性和讨论误差来源。综上所述:本文从试验和数值仿真两个方面针对机织复合材料的细观尺度上的失效模式和渐进损伤行为开展了研究。获取了该类材料在准静态载荷作用下损伤、失效的宏、细观表征参数;实现基于细观尺度的三维复杂应力状态下的渐进损伤演化分析模型建立;通过将预测结果与试验结果对比,证明该仿真方法在预测机织复合材料刚度强度方面具有较好的结果。
【图文】：

机织复合材料,嵌套,经典层合板理论,体积分数

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文互之间的编织角度影响局部应力分布和损伤的触发。Lei,SY[13]分析了纤维束体积分数对局部应变的影响。因此，，纤维的体积分数是一个重要的分析参数。Lomov,Stepan Vladimirovitch 等人[14]，研究了织物层与层之间的相互嵌套，表明不同程度的嵌套现象导致刚度在 10-20%之间的波动和对分层的强度有一定影响。Chou and Ishikawa[15]最早提出一个拼接模型(Mosaic model)模型，基于经典层合板理论，预测二维机织复合材料的等效弹性能。继而，Gao, X-L[16]等人，通过采用拼接模型(Mosaic model)模型，如图 1-1 对机织复合材料分析，并进行参数研究分析。

模型图,模型,失效行为,机织复合材料

- 6 -图 1-2 (a)3D 正交机织单包模型；(b)3-D 拼接单包模型[17]Chou,Ishikawa 等人[18]提出三个分析模型研究机织复合材料的刚度和 Mosaic model 如图 1-3 能有效预测材料弹性刚度性能。其中考虑纤对机织复合材料的扭结(knee behaviour)失效行为。作者从两方面分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB332

【相似文献】