碳纤维机织复合材料层内损伤细观仿真研究
发布时间：2020-12-27 04:37
近年来随着复合材料在工业工程的需求和应用以及认可度逐年提高,对纤维增强复合材料的研究也受到关注,主要围绕其力学性能和损伤机理。根据材料研究经验,研究方法主要分为试验、理论和仿真,随着研究加深仍存在难点需要攻克,主要分为三点:机织复合材料准确的渐进损伤机理描述;确定合适的机织复合材料的损伤准测和失效模型;多种复杂工况下机织复合材料的性能预测。其中实际应用的复杂载荷下,机织物的结构特点导致的面内剪切变形对材料性能的渐进影响研究尚且不足。因此,本文通过机织复合材料单向拉伸和面内剪切试验以及弹性研究,揭示试验试件的多种损伤模式扩展过程,基于有限元和渐进损伤演化理论,自定义材料模型,进行宏-细观尺度仿真,与试验对比,实现对机织复合材料在拉伸和面内剪切工况下编织结构变形对于力学性能变化和渐进损伤失效的影响分析和预测。首先,围绕机织复合材料弹性阶段,建立有限元模型和理论模型。对比结果证明两种模型都能有效预测材料宏观弹性性能,其中理论模型计算方便快捷,而细观有限元方法可以清晰准确模拟机织复合材料在多种载荷下的变形和应力应变分布。其次,基于数字图像相关法进行机织复合材料的单向拉伸试验,结合试验现象分析材...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机织复合材料层合板损伤形式示意图
吉林大学硕士学位论文2泛普及，能够准确探测织物结构和基体材料的结构形态[4]，进而可以通过对机织复合材料内部细观结构的多种损伤模式的触发演化过程的研究，准确预测机织复合材料的力学性能和损伤特性，因此，从细观尺度研究机织复合材料的渐进损伤问题已经成为机织复合材料应用推进的主要研究方向。图1.1机织复合材料层合板损伤形式示意图随着对机织复合材料的细观尺度力学性能和损伤特性研究的开展，研究学者已基本掌握纤维在拉伸/压缩载荷下的机织复合材料的细观力学响应，然而机织复材料在工程实际应用中的往往是复杂载荷工况下，载荷方向与纤维的编织方向随机分布，由此引起机织复合材料在受外力载荷过程中发生的面内剪切变形尤为普遍，如图1.2所示。机织物的面内剪切变形会促使纤维编织结构的角度发生明显变化，随着变形的增加，角度不断变化，会持续影响机织复合材料的材料性能，纤维、基体、界面触发损伤后的演化过程，进而影响工程应用的耐久性和耐冲击性，因此掌握面内剪切载荷下的机织复合材料剪切变形对于其力学性能和损伤特性的影响对于耐久应用极具重要参考意义。图1.2机织复合材料材料面内剪切示意图对于复合材料的细观损伤研究主要基于试验和仿真，但复合材料具有明显的试验重复性低，工艺成本高，组成结构复杂，较难清晰的研究各组分材料的损伤
吉林大学硕士学位论文10（c）宏观尺度图2.1机织复合材料多尺度示意图细观尺度研究的本质是针对均匀应力或应变的载荷条件下，研究复合材料代表性体积单元，在微观尺度的材料属性和结构参数下，表征材料本构用关系的应力应变关系，等效推导宏观材料性能和失效过程，因此实际上细观尺度可视为衔接材料微观尺度和宏观尺度的中间过程，微观尺度可以提供均匀浸渍纤维和纤维束的材料属性，而宏观尺度模型可以使用细观模型均匀化后的结果。而机织复合材料的细观尺度研究更加集中的原因是，其繁杂的内部结构直接影响材料宏观性能，选用具有特征性的体积单元建立模型需要以复合材料的细观力学分析方法为基础和以基体、纤维等为基本材料组分，进而以纤维体积含量、纤维束的断面形状空间构型等为条件，根据材料研究的相关理论基础，包括材料力学、弹性力学等，模拟分析复合材料的宏观力学性能以及细观损伤过程。2.2机织复合材料细观渐进损伤行为研究2.2.1机织复合材料细观有限元分析流程机织复合材料的细观有限元分析是进行力学性能变化规律、研究单胞内部应力应变尝确定损伤起始条件和位置以及模拟复合材料损伤发展和相关力学性能变化的有力工具。细观尺度分析，模拟组分材料在宏观材料力学失效过程中的细观失效机理以及性能退化过程。也是作为材料多尺度建模的核心过程。对用于金属等均匀材料研究的传统宏观力学分析，基于忽略材料内部阻力的力学响应的假设，将材料均值归一化，仅从等效宏观尺度下分析力学属性。然而，实验结果表明，组分材料由于复合材料的结构性能，在编织结构的不同位置会具有不同的失效破坏形式，其力学性能也不同。如图2.2所示为采用细观有限元方法对机织复合材料的损伤算法流程的分析过程。仿真应基于准确的编织结构实?
【参考文献】：
期刊论文
[1]2.5D编织复合材料宏细观力学行为数值模拟研究进展[J]. 杨思远,蔡长春,王振军,周金秋,熊博文,徐志锋,余欢. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2019(03)
[2]基于Puck理论的复合材料层合板横向剪切失效分析[J]. 贾利勇,廖斌斌,于龙,贾欲明,李苗. 复合材料学报. 2019(10)
[3]2D-C/SiC复合材料面内剪切性能统计及强度B基准值[J]. 王波,吴亚波,黄喜鹏,潘文革,成来飞. 材料工程. 2019(01)
[4]基于TexGen的织物仿真建模及其应用方向[J]. 陈振,管江明,邢明杰. 棉纺织技术. 2016(11)
[5]平纹编织陶瓷基复合材料面内剪切细观损伤行为研究[J]. 郭洪宝,王波,贾普荣,杨成鹏. 力学学报. 2016(02)
[6]碳纤维复合材料的无损检测综述[J]. 杨玉娥,张文习. 济南大学学报(自然科学版). 2015(06)
[7]基于单胞解析模型的复合材料面内剪切性能与损伤分析[J]. 赵琳,张博明,卿新林,谢惠民. 复合材料学报. 2013(S1)
[8]战机用先进树脂基复合材料的应用现状[J]. 黄晓艳,刘波. 材料研究与应用. 2011(04)
[9]二维二轴编织复合材料几何模型及弹性性能预测[J]. 张超,许希武. 复合材料学报. 2010(05)
硕士论文
[1]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[D]. 罗嘉.哈尔滨工业大学 2017
[2]二维三轴编织复合材料刚度和强度性能研究[D]. 严雪.南京航空航天大学 2013
[3]编织复合材料成型工艺与性能研究[D]. 李小刚.北京航空材料研究院 2002
本文编号：2941115
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机织复合材料层合板损伤形式示意图
吉林大学硕士学位论文2泛普及，能够准确探测织物结构和基体材料的结构形态[4]，进而可以通过对机织复合材料内部细观结构的多种损伤模式的触发演化过程的研究，准确预测机织复合材料的力学性能和损伤特性，因此，从细观尺度研究机织复合材料的渐进损伤问题已经成为机织复合材料应用推进的主要研究方向。图1.1机织复合材料层合板损伤形式示意图随着对机织复合材料的细观尺度力学性能和损伤特性研究的开展，研究学者已基本掌握纤维在拉伸/压缩载荷下的机织复合材料的细观力学响应，然而机织复材料在工程实际应用中的往往是复杂载荷工况下，载荷方向与纤维的编织方向随机分布，由此引起机织复合材料在受外力载荷过程中发生的面内剪切变形尤为普遍，如图1.2所示。机织物的面内剪切变形会促使纤维编织结构的角度发生明显变化，随着变形的增加，角度不断变化，会持续影响机织复合材料的材料性能，纤维、基体、界面触发损伤后的演化过程，进而影响工程应用的耐久性和耐冲击性，因此掌握面内剪切载荷下的机织复合材料剪切变形对于其力学性能和损伤特性的影响对于耐久应用极具重要参考意义。图1.2机织复合材料材料面内剪切示意图对于复合材料的细观损伤研究主要基于试验和仿真，但复合材料具有明显的试验重复性低，工艺成本高，组成结构复杂，较难清晰的研究各组分材料的损伤
吉林大学硕士学位论文10（c）宏观尺度图2.1机织复合材料多尺度示意图细观尺度研究的本质是针对均匀应力或应变的载荷条件下，研究复合材料代表性体积单元，在微观尺度的材料属性和结构参数下，表征材料本构用关系的应力应变关系，等效推导宏观材料性能和失效过程，因此实际上细观尺度可视为衔接材料微观尺度和宏观尺度的中间过程，微观尺度可以提供均匀浸渍纤维和纤维束的材料属性，而宏观尺度模型可以使用细观模型均匀化后的结果。而机织复合材料的细观尺度研究更加集中的原因是，其繁杂的内部结构直接影响材料宏观性能，选用具有特征性的体积单元建立模型需要以复合材料的细观力学分析方法为基础和以基体、纤维等为基本材料组分，进而以纤维体积含量、纤维束的断面形状空间构型等为条件，根据材料研究的相关理论基础，包括材料力学、弹性力学等，模拟分析复合材料的宏观力学性能以及细观损伤过程。2.2机织复合材料细观渐进损伤行为研究2.2.1机织复合材料细观有限元分析流程机织复合材料的细观有限元分析是进行力学性能变化规律、研究单胞内部应力应变尝确定损伤起始条件和位置以及模拟复合材料损伤发展和相关力学性能变化的有力工具。细观尺度分析，模拟组分材料在宏观材料力学失效过程中的细观失效机理以及性能退化过程。也是作为材料多尺度建模的核心过程。对用于金属等均匀材料研究的传统宏观力学分析，基于忽略材料内部阻力的力学响应的假设，将材料均值归一化，仅从等效宏观尺度下分析力学属性。然而，实验结果表明，组分材料由于复合材料的结构性能，在编织结构的不同位置会具有不同的失效破坏形式，其力学性能也不同。如图2.2所示为采用细观有限元方法对机织复合材料的损伤算法流程的分析过程。仿真应基于准确的编织结构实?
【参考文献】：
期刊论文
[1]2.5D编织复合材料宏细观力学行为数值模拟研究进展[J]. 杨思远,蔡长春,王振军,周金秋,熊博文,徐志锋,余欢. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2019(03)
[2]基于Puck理论的复合材料层合板横向剪切失效分析[J]. 贾利勇,廖斌斌,于龙,贾欲明,李苗. 复合材料学报. 2019(10)
[3]2D-C/SiC复合材料面内剪切性能统计及强度B基准值[J]. 王波,吴亚波,黄喜鹏,潘文革,成来飞. 材料工程. 2019(01)
[4]基于TexGen的织物仿真建模及其应用方向[J]. 陈振,管江明,邢明杰. 棉纺织技术. 2016(11)
[5]平纹编织陶瓷基复合材料面内剪切细观损伤行为研究[J]. 郭洪宝,王波,贾普荣,杨成鹏. 力学学报. 2016(02)
[6]碳纤维复合材料的无损检测综述[J]. 杨玉娥,张文习. 济南大学学报(自然科学版). 2015(06)
[7]基于单胞解析模型的复合材料面内剪切性能与损伤分析[J]. 赵琳,张博明,卿新林,谢惠民. 复合材料学报. 2013(S1)
[8]战机用先进树脂基复合材料的应用现状[J]. 黄晓艳,刘波. 材料研究与应用. 2011(04)
[9]二维二轴编织复合材料几何模型及弹性性能预测[J]. 张超,许希武. 复合材料学报. 2010(05)
硕士论文
[1]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[D]. 罗嘉.哈尔滨工业大学 2017
[2]二维三轴编织复合材料刚度和强度性能研究[D]. 严雪.南京航空航天大学 2013
[3]编织复合材料成型工艺与性能研究[D]. 李小刚.北京航空材料研究院 2002
本文编号：2941115
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