三维五向编织复合材料T型梁弯曲疲劳多尺度结构破坏机理

发布时间：2020-05-21 14:05

【摘要】：三维编织是制备复杂横截面预成型体和异形件有效技术,例如三维编织T型梁。在三维编织T型梁中消除筋板和面板间接缝和结构缺陷,在长期静态和动态加载中不存在分层失效模式,具备其他类型T型梁不具备的结构优势。本文以三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料T型梁为研究对象,实验测试T型梁弯曲疲劳性质和S-N曲线,在单胞和细观结构两个层面数值分析弯曲疲劳失效机理,揭示T型梁几何结构对细观结构和组分材料对疲劳性质的影响规律。实验研究中,测试三维五向编织复合材料T型梁准静态三点弯曲性能,获得材料载荷位移曲线和破坏形态。根据准静态载荷峰值制定循环加载应力水平,分别在80%、70%、60%和50%应力水平条件下测试三维五向编织复合材料T型梁三点弯曲疲劳性能,获得材料的疲劳寿命(S-N)曲线,载荷-挠度曲线、刚度退化曲线及破坏形态等。研究发现:(1)根据疲劳寿命(S-N)曲线,疲劳寿命随应力水平降低而增加,疲劳寿命极限为50%应力水平。(2)载荷挠度曲线存在明显滞后圈,滞后圈面积随循环加载进行而持续增大,直至材料失效。(3)不同应力水平下刚度退化曲线均呈现明显的“三阶段”规律,不同阶段损伤机制不同。加载初始阶段主要是面板处树脂基体开裂,加载中期阶段为纤维和树脂界面脱粘,加载最终阶段为加强筋处纤维断裂。(4)准静态和疲劳加载条件下损伤区域均集中在面板和加强筋中部,但疲劳加载条件下材料的损伤程度比准静态条件下损伤程度严重。有限元分析中,在单胞尺度层面,根据三维五向编织T型梁预成型体细观结构,构建五种基本单胞,即内单胞、面单胞、角单胞、交接内单胞和交接角单胞。然后建立三维五向编织复合材料T型梁单胞有限元模型,计算模型在不同应力水平条件下的刚度降解曲线、挠度变化曲线和应力和应变分布。在细观尺度层面,建立三维五向编织复合材料T型梁小尺寸有限元模型,分析模型中不同组分材料的应力退化和应力分布情况、能量吸收情况以及模型整体的界面损伤情况和疲劳损伤形态。研究发现:(1)单胞模型有限元计算可以得到和实验类似的“三阶段”刚度降解曲线和挠度变化曲线,加载初始阶段和加载最终阶段,材料刚度急剧下降,材料挠度大幅增加。加载中期阶段,刚度缓慢下降,挠度增加幅度较小。(2)单胞模型中,应力和应变集中区域均为面板和加强筋中部,加载过程中,应力变化较小,但应变变化较大,应变突变均发生在疲劳加载后期(98%疲劳寿命)。(3)细观模型中,不同组分材料的应力退化趋势一致,应力集中区域和破坏区域均为面板和加强筋中部位置和加强筋受约束位置。本课题利用实验和有限元分析研究三维五向编织复合材料T型梁抗三点弯曲疲劳性能,揭示弯曲疲劳失效机理。该方法可进一步用于其他复杂截面的三维五向编织复合材料结构件的抗疲劳性能设计。
【图文】：

（1）研究二维铺层 T 型结构件力学行为较多，但研究三维纺织结构 T 型结构件力学行为较少，特别是三维编织结构 T 型梁。（2）疲劳研究中，研究拉-拉疲劳和压-压疲劳性能较多，但研究弯-弯疲劳性能较少，弯曲加载可视为拉伸和压缩加载方式结合，弯曲循环载荷下三维五向编织复合材料疲劳失效机制有待进一步揭示。（3）现有单胞模型和细观模型都是针对矩形截面结构材料，三维五向编织复合材料 T 型梁面板和加强筋交接区域存在特殊纱线结构，其单胞模型和细观模型需要进一步完善。1.7 研究内容及方案

第三步和第四步的纱锭运动方向分别与第一步、向相反。四步法原理，类似 A 部分编织过程，对 B 部分进行四步完成一个编织循环。每经过两个循环后对编织纱线打紧，，成两个花节长度编织物。编织纱线行数为1m ，轴纱行数为1p ，编织纱线列数为1n分的编织纱线行数为2m ，轴纱行数为2p ，编织纱线列数则纱线总根数 N 的计算公式为：1 1 2 2 1 2 1 1 1 2 2N m n m n m m n 1 p q p q
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 杜双明;乔生儒;;基于电阻变化的3DC/SiC复合材料疲劳损伤演化[J];复合材料学报;2011年02期

2 李嘉禄,杨红娜,寇长河;三维编织复合材料的疲劳性能[J];复合材料学报;2005年04期

本文编号：2674414