基于多尺度模型的二维三轴编织复合材料的损伤破坏机理研究

发布时间：2020-09-29 09:31

　　相比于传统的层合板复合材料,编织类复合材料具有更高的损伤容限和更好的吸能特性,广泛应用在车辆、运动装备以及航空航天领域。本文所研究的二维三轴编织复合材料就是其中一种比较常用的编织类复合材料。然而,其自身内部各向异性、非均质的结构往往会在外载荷的作用下,呈现出多种复杂的失效模式,比如纤维的扭曲断裂、基体的开裂以及界面的脱粘现象等,并且不同的失效模式之间还存在着相互的耦合。目前,利用传统的单一尺度模型还不能准确捕捉到上述的失效行为。因此建立多尺度的有限元渐进损伤模型,研究其损伤失效机理,对编织类复合材料的安全、高效的使用具有十分重要的理论意义和工程应用价值。本文基于连续损伤力学(CDM),在纤维/基体尺度和纤维束编织结构尺度上分别建立微观和细观渐进损伤模型,以此来研究二维三轴编织复合材料在拉伸和压缩载荷下损伤的起始和演化过程。首先,建立纤维呈六面体分布的纤维束微观单胞模型,用最大应变准则和Stassi准则分别来判定纤维和基体的初始损伤。结合基于断裂能的渐进损伤演化准则,分析不同的外载荷作用下的单胞的损伤形态,得到纤维束的刚度、强度等力学参数,并且与已有的理论公式计算的结果进行对比。结果表明,利用所建的渐进损伤模型得到的纤维束的力学参数与使用理论公式计算的结果接近。然后,将所获得的纤维束力学参数导入到材料的细观模型中,构建高度保真的二维三轴编织复合材料的有限元渐进损伤模型。其中,基体采用与微观单胞内基体相同的失效准则和刚度折减方案;纤维束的初始损伤利用3D Hashin准则来表征,其渐进损伤过程同样是利用基于断裂能的刚度折减方案来模拟;纤维束和基体之间的界面损伤则采用二次名义应力失效准则和B-K模式的损伤演化准则。最后,通过分别施加轴向和横向的拉压载荷来研究二维三轴编织复合材料的渐进损伤过程,明确其具体的损伤模式。除此之外,还分析了纤维束与基体之间界面的性能和模型的尺寸对材料力学性能的影响。结果发现,经数值模拟研究得到的材料拉伸和压缩的应力应变曲线和损伤形态与实验数据拟合度较好。此外还发现界面的性能对材料拉伸力学性能有着微弱的影响。不同的单胞模型尺寸对材料横向的力学性能影响较大,而对材料轴向的力学性能影响较弱。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

分布情况,纤维束,分布情况,单胞模型

相较于正六面体单胞模型，正六棱柱单胞模型能够使排列的纤维体积分数逡逑更高，且更加符合真实的纤维束排列情况。然而，针对正六棱柱单胞模型的周期逡逑性边界条件却不容易施加，因此将其扩展为六面体单胞模型，见图２．４。逡逑图２．邋２纤维束内纤维的真实分布情况［Ｍ］逡逑ｍｓ逡逑（ａ）矩形分布逦（ｂ）六角分布逦（ｃ）随机分布逡逑图２．邋３纤维分布方式示意图逡逑由图２．４可知，该单胞模型满足周期性要求，并且是规则的长方体，方便后逡逑续周期性边界条件的施加。其中，长度／和宽度ｗ满足／邋＝邋｜，本文将ｗ取为单逡逑位长度，所以单胞的纤维体积分数＆可由式（２．２３）计算而得：逡逑＿邋＿邋尸逦＾邋＼逡逑Ｖｆ＝＾ｒ逦（２＿２３）逡逑此外考虑到二维三轴编织复合材料整体的纤维体积分数［５邋３邋］，本文将轴向和斜逡逑向的纤维束内部的纤维体积分数统一设定为＆邋＝８７．５％。纤维束和基体的性能参数逡逑见表２．１。逡逑翟．逦—＿纤维逡逑图２．４六面体单胞模型逡逑１１逡逑

单胞模型,六面体

示意图,单胞,有限元模型,周期性

确的力学响应。其中，为了便于结合周期性边界条件，对模型施加位移载荷。通逡逑过给定不同的位移分量可以施加单胞模型中轴向拉伸、压缩，横向拉伸、压缩，逡逑剪切等载荷，如图２．６所示。逡逑／１ｈ逦７１Ｇ邋／Ｉｈ邋＾７＼Ｇ逦，＾１ｈ逡逑￣Ｉ逦Ｆ逦＊｜Ｅ＿ｊＦ逦３＇Ｅ￣；逦｜Ｆ逦＾￣￣￣｜逦［Ｆ逡逑ｔ邋Ｙ逦，均５逦＇／Ｃ逦／Ｃ邋．难邋ＸＣ逦＆邋／ｃ逡逑（ａ）轴向拉压邋（ｂ）横向拉压邋（ｃ）邋Ｘ－Ｚ面剪切逦（ｄ）少一Ｚ面剪切逡逑图２．邋６有限元模型边界约束条件示意图逡逑不同载荷作用下的周期性边界条件和位移施加方式，如下式所示：逡逑（１）

【参考文献】