三维机织复合材料拉伸和剪切损伤与失效分析

发布时间：2020-11-18 07:18

　　 作为一种典型的新型复合材料,三维机织复合材料由于其良好的整体性、沿厚度方向出色的力学性能以及较强的抗冲击性能而被广泛应用于航空航天器、民用建筑、体育装备、医学设备等领域。然而,三维机织复合材料的非均匀性、各向异性以及内部存在的裂纹、空隙等,使得这种材料的损伤演化规律十分复杂,对其力学性能及渐进损伤机理的研究成为一个巨大挑战。为了对三维机织复合材料的力学性能及渐进损伤机理有充分了解和认识,本文采用实验和数值模拟方法,对三维机织复合材料的拉伸和剪切刚度、强度以及渐进损伤过程与失效机理进行了研究,并提出了研究三维机织复合材料拉伸和剪切失效行为的方法。首先,详细介绍并分析了三维机织复合材料的国内外研究进展,就三维机织复合材料的细观几何结构、准静态实验和渐进损伤失效模型等方面展开综述。重点回顾了三维机织复合材料准静态单轴拉伸、沿±45°纤维方向拉伸和剪切载荷下刚度、强度性能的实验和数值仿真研究进展。明确了本论文的研究目的与意义。其次,开展了三维机织复合材料的准静态单轴拉伸和沿±45°纤维方向拉伸实验研究。采用三维数字图像(3D DIC)技术测试了三维机织复合材料的刚度、强度性能,记录了材料的力学响应及破坏过程。通过高速相机和光学显微镜观测了试件断裂过程与失效后的宏细观断口形貌,详细分析并确定了三维机织复合材料在单轴拉伸和沿±45°纤维方向拉伸载荷下的失效模式和破坏机理。同时,提出了一种针对三维机织复合材料剪切性能的试验方法,开展了三维机织复合材料的静态剪切实验研究。分别采用V型缺口梁剪切实验方法和短梁剪切实验方法,研究了三维机织复合材料在面内和层间剪切载荷下刚度、强度性能,获取了三维机织复合材料的非线性力学响应及破坏过程。通过观测试件失效后的宏细观断口形貌,重点分析并确定了三维机织复合材料在剪切载荷下的失效模式和破坏机理。并根据实验需要设计出了针对三维机织复合材料不同厚度的V型缺口梁试件的剪切实验卡具。根据三维机织复合材料细观结构确定了接近真实结构的细观单胞模型。在实验分析基础上,结合多相有限元法,建立了一种适用于三维机织复合材料的单轴拉伸渐进失效模型。该模型采用改进的Puck准则和抛物面准则,在纤维束和基体的细观尺度上考虑了纤维束的断裂、纤维束内的纤维间开裂以及基体断裂。应用ABAQUS软件平台结合多相有限元法编写了VUMAT材料用户子程序,预报了三维机织复合材料在准静态单轴拉伸载荷下的刚度、强度性能,以及该材料的单轴拉伸渐进损伤和失效过程,并将数值模拟结果与实验测试结果进行了对比。最后,针对三维机织复合材料在剪切载荷下出现的大变形问题,提出了一种适用于三维机织复合材料的剪切非线性渐进失效模型。该模型充分考虑了引起材料剪切非线性的原因,认为设在剪切载荷作用下,纤维束在产生应变的同时也发生了刚体转动,纤维束的局部坐标系会随着纤维束的偏转而实时变化。因此,在纤维束损伤模型中考虑Green-Naghdi客观率并引入随体坐标系来“扣除”刚体转动的影响。该模型在单轴拉伸渐进损伤模型的基础上,引入最大剪应力准则作为纤维束和基体的剪切失效判据。基于多相有限元法,建立了沿±45°纤维方向拉伸、V型缺口梁剪切和短梁剪切有限元模型。预测出了三维机织复合材料宏观尺度下沿±45°纤维方向拉伸和剪切载荷下的刚度、强度性能,以及该材料的剪切非线性行为及渐进失效过程。将数值模拟结果与实验测试结果进行了对比分析,发现结果吻合良好。本文提出的剪切非线性渐进失效模型能够有效预报三维机织复合材料的剪切非线性渐进损伤规律。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学博士学位论文纤维和厚度方向纤维的三维机织材料上才得以有较大的发展三维复合材料，三维机织复合材料以三维机织结构（机织预，如图 1-1 所示，在一定的条件下通过特定的复合工艺固化维机织复合材料主要采用机织和编织或者半编织半机织的不同方向的纱线之间相互缠绕导致互锁，厚度方向（即 Z 向定的角度与经、纬纱线交织起来。这样就使得三维机织复合体性、可设计性和更强的剪切性能。与传统的层合板材料相材料具有优异的层间性能、良好的抗冲击性和抗弯曲疲劳性

微小裂纹形成于纤维束和沿厚度方向的缝经纱之间的富脂区域，随着应力增大，部分纤维束硬化并出现裂纹导致材料的弹性模量降低了 20-30%。并观测出了三维机织复合材料拉伸破坏时纤维束互锁和拔出现象，如图1-2 所示。

图 1-3 V 型缺口梁剪切实验法示意图[33]：（a）卡具，（b）试件Fig. 1-3 Schematic of V-notched beam test method[33]; (a) fixture, (b) coupon图 1-4 沿±45°拉伸试验件Fig. 1-4 Schematic of ±45° degree tensile coupon
【参考文献】

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本文编号：2888466