三维编织复合材料T型梁高温场横向冲击热力耦合响应与损伤分析

发布时间：2020-10-10 04:46

　　三维编织复合材料T型梁集复合材料高比强度和高比刚度性能、三维编织结构抗分层性能以及T型梁高抗弯刚度等优异特点于一体,可应用于高速列车、新能源汽车以及轻质飞行器等领域。本文旨在进行三维编织复合材料T型梁高温场横向冲击加载热力耦合响应与损伤机理分析。主要研究内容:(1)采用MTS 810.23材料测试系统搭载自制高温环境装置对不同筋高高度(0mm、5mm和10mm)三维编织复合材料T型梁在不同温度(20℃、50℃、75℃和100℃)下进行准静态横向弯曲加载测试,研究复合材料T型梁高温场准静态横向弯曲加载响应。(2)采用改进型分离式霍普金森杆搭载自制高温环境装置对不同筋高高度(0mm、5mm和10mm)三维编织复合材料T型梁在不同温度(20℃、50℃、75℃和100℃)和不同冲击加载速度(8.5 m/s、11 m/s和13.5 m/s)下进行横向冲击加载测试,研究温度和冲击速度以及筋高高度对复合材料T型梁横向冲击加载响应影响。(3)建立三维编织复合材料多尺度结构模型,建立计及温度效应和应变率效应热力耦合本构材料模型,引入绝热温升方程,建立完整闭合热力耦合模型,并编写用户自定义材料子程序(VUMAT)。利用有限元软件ABAQUS建立三维编织复合材料冲击压缩有限元模型,调用VUMAT,计算三维编织复合材料冲击压缩热力耦合响应,验证热力耦合模型有效性。(4)基于所建热力耦合本构模型,采用ABAQUS建立三维编织复合材料T型梁高温场横向冲击模型,并调用VUMAT,计算三维编织复合材料T型梁高温场横向冲击响应,分析其热力耦合损伤机理。主要研究发现:(1)温度和筋高高度对三维编织复合材料T型梁准静态横向加载响应具有明显影响。T型梁准静态横向载荷和能量吸收随测试温度增加而减小,随筋高高度增加而增加;位移随测试温度和筋高高度增加均减小;筋高高度对于T型梁准静态横向加载响应影响比温度影响更加显著;T型梁主要失效模式为纱线断裂和树脂开裂,低温到高温时失效由脆性转为塑性。(2)温度、冲击速度和筋高高度对复合材料T型梁横向冲击加载响应有很大影响。温度越高,T型梁横向冲击载荷越小、位移越大以及冲击吸收能量越小;冲击速度越高,T型梁横向冲击载荷越大、位移越大以及冲击吸收能量越大;筋高高度越高,T型梁横向冲击载荷越大、位移越小以及冲击吸收能量越大;冲击速度和筋高高度对T型梁冲击加载响应影响比温度对其影响更为显著;不同筋高高度T型梁在不同温度和冲击速度下主要失效模式均为剪切损伤失效,表现为纱线断裂和树脂碎裂,损伤由T型梁底板向筋高部位进行扩展。(3)有限元计算三维编织复合材料高温场冲击压缩响应能够验证热力耦合模型有效性。冲击压缩变形导致热量产生,复合材料温度升高,塑性变形为温升主要来源;测试温度越高,复合材料应力和模量越小,导致塑性功减小,温升越小;冲击加载气压越高,应变率越高,复合材料失效应力和应变随着应变率增加而增大,产生更大塑性功导致温升越高;复合材料应力受温度和冲击加载强度影响,材料内部温升反过来受到材料应力影响,温升又进一步影响材料性能,形成封闭热力耦合循环;复合材料在冲击压缩加载时应力分布和温度分布均呈“X”型剪切分布,主要受到剪切力作用,并表现为剪切失效模式。(4)采用热力耦合有限元模型能够有效模拟三维编织复合材料T型梁高温场横向冲击响应行为。不同测试温度下,T型梁加载中心点峰值应力随应力波周期增加而逐渐减小;首个周期峰值应力随测试温度增加而下降;与应力对应,周期性温升逐渐减小,总温升逐渐累积;温升随着测试温度增加而减少;应力越高,产生温升越高,而测试温度越高,应力越小,形成热力耦合作用;随着应力波周期增加,试样应力分布和温度分布范围逐渐增加,试样损伤增加,主要集中在试样中部加载位置和两端夹持部位;随着测试温度增加,相对应应力波周期应力和温升减小,应力分布和温度分布范围减小,测试温度增加对材料性能具有弱化作用;不同冲击速度下,T型梁加载中心点峰值应力随应力波周期增加逐渐下降,随冲击加载速度增加而增加;对应温升随应力波周期性加载逐渐减少,总温升逐渐累积,并随冲击加载速度增加而增加;试样应力分布和温度分布均随应力波周期增加逐渐增加,试样损伤增加,主要集中于中部加载位置和两端夹持部位;随冲击加载速度增加,相同周期应力分布和温度分布范围增加,试样损伤增加;比较计算模型和测试试样损伤形态,应力集中区和试样正面损伤区域随测试温度增加变小,损伤主要集中于试样中间部位以及两端夹持部位;随着冲击加载速度增加,应力分布范围扩大,损伤程度增加,三维编织复合材料T型梁具有较高速度抗冲击能力。本文所建热力耦合模型可扩展到其它纺织结构复合材料不同温度场动态冲击加载热力耦合响应行为分析和预测,可为纺织结构复合材料在高速车辆和轻量化汽车和轻质飞行器等领域应用提供强度预测和性能评估。
【学位单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

火箭筒,三维编织复合材料,发动机叶片,起落架

纤维增强复合材料因其具有轻质高强和优异可设计性能被广泛用于空天飞行器和风力发电机叶片等领域[1-4]。伴随低碳经济以及科技发展，纤维增强复合材料在高速列车和新能源汽车以及轻质飞行器等新兴领域应用也越来越受到人们重视[5-7]。为提高传统纤维增强复合材料易分层的不足、增强复合材料整体性和层间强度，三维纺织结构复合材料得以发展和应用[8-10]。三维编织复合材料是一种具有独特性能的三维纺织结构复合材料，其编织纱线在三维空间中呈多向分布特点，抗分层，相较于层合复合材料具有的高比强度和高比模量等优点，还具有损伤容限高和抗冲击性能好以及良好抗疲劳性能[9]。三维编织技术可以直接一体织造成型形状复杂的预成型体[11]，如 I 型梁和 T 型梁以及圆管等结构，可用于制作各种飞行器承力梁、支架以及接头等，如图 1.1 所示，直升机起落架、飞机发动机叶片和火箭筒身均为三维编织复合材料整体制备而成[12]，并普及到汽车，游艇，医疗等各个领域[13, 14]。

编织法,纱线,运动规律,热力耦合

基于多尺度结构模型，建立计及温度效应和应变率效应热力耦合本构方程，引入温升方程，形成闭合热力耦合材料模型，计算三维编织复合材料高温动态冲击下热力耦合响应，分析其热力耦合损伤失效机理。1.2 三维编织预成型体技术三维编织预成型体技术产生于二十世纪六十年代后期，主要用于生产航天器部件，并在二十世纪八十年代和九十年代取得较快发展，出现不同编织技术，主要为二步编织法和四步编织法，还包括六步编织法和多步编织法[15, 16]。编织纱线通过携纱器在编织机上沿着固定轨道运动，彼此相互交织编织出不同形状织物。图 1.2 所示为二步编织法纱线移动规律，每移动两步完成一次循环编织，每一步编织纱沿箭头指向进行移动，并停在箭头指向位置，其中轴纱沿织物成型方向保持伸直状态[17]。

线运动,规律,三维编织复合材料,编织法

图 1.3 四步法编织纱线运动规律[15]二步编织法和四步编织法均可编织方型和圆形两种编织形式。方型编织预成型体相邻两面构成直角，如 I 型梁和 T 型梁等。圆形编织物截面为圆形，例如编织圆管等。这些不同三维编织技术可以生产形状复杂多样编织预成型体，为特殊结构应用提供可能。1.3 三维编织复合材料冲击性能研究Gu 和 Xu[18, 19]通过实验研究三维编织复合材料弹道冲击破坏形态和失效模式，并利用“纤维倾斜模型”进行数值计算其弹道侵彻损伤过程，获得三维编织复合材料弹道冲击失效模式和能量吸收特征。Gu[20]在细观尺度建立三维编织复合材料细观结构有限元模型，更精确计算得到复合材料弹道侵彻性能。Sun等[21]采用分离式霍普金森杆对四步法三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料进行高应变率面内和面外冲击压缩实验，发现压缩模量和变形具有应变率敏

【参考文献】