低速载荷下机织层合碳纤维复合材料损伤及其仿真研究

发布时间：2022-02-22 01:59

　　机织层合碳纤维复合材料（CFRP）近年来广泛应用于航空、汽车、能源、医学等领域,特别是在汽车行业中发展迅速。相较于传统金属材料,机织层合碳纤维复合材料的优势主要在于:（1）密度小,比强度、比模量高;（2）集成度高,减少零部件数量,适用于车身曲面造型;（3）具有良好的抗冲击性;（4）阻尼高,抗振性能好;（5）抗疲劳性能好。机织层合碳纤维复合材料较单向带,不仅提高了碳纤维复合材料的层内特性,而且改善了材料的抗冲击性能。然而,机织层合碳纤维复合材料具有更复杂的损伤特性。在不同的低速载荷作用下,机织层合碳纤维复合材料会产生多种微观损伤,损伤的差异性和不可逆性会严重降低机织层合碳纤维复合材料在使用过程中的力学性能。因此,研究机织层合碳纤维复合材料的结构、性能和损伤的相关性,是机织层合碳纤维复合材料重要研究方向。本文通过机织层合碳纤维复合材料损伤的仿真模拟和相关试验,研究在多种低速载荷下机织层合碳纤维复合材料的力学性能、损伤机理和失效形式之间的关联规律。从宏观角度研究机织层合碳纤维复合材料微观损伤行为,为机织层合碳纤维复合材料损伤及其有限元仿真研究提供理论基础与技术支持。第一,本文研究了机织层合碳... 

【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】：159 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
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第1章 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 机织层合碳纤维复合材料概述
        1.1.2 机织层合碳纤维复合材料应用现状
        1.1.3 机织层合碳纤维复合材料发展前景
    1.2 机织层合碳纤维复合材料力学性能及损伤研究
        1.2.1 机织层合碳纤维复合材料弯曲性能与损伤研究
        1.2.2 机织层合碳纤维复合材料低速冲击性能与损伤研究
    1.3 机织层合碳纤维复合材料有限元仿真研究
        1.3.1 机织层合碳纤维复合材料连续介质损伤力学模型研究现状
        1.3.2 机织层合碳纤维复合材料损伤模拟技术现状
    1.4 本文主要研究内容
第2章 机织层合碳纤维复合材料损伤及其仿真理论基础
    2.1 引言
    2.2 复合材料弹性力学基本理论
        2.2.1 弹性体弹性力学基本方程
        2.2.2 各向异性弹性体的应力-应变方程
        2.2.3 层合纤维复合材料的应力-应变方程
    2.3 连续介质损伤力学基本理论
        2.3.1 连续介质损伤力学基本方程
        2.3.2 层合纤维复合材料连续介质损伤力学基本理论
    2.4 机织层合碳纤维复合材料损伤理论
        2.4.1 机织层合碳纤维复合材料损伤断裂基础
        2.4.2 机织层合碳纤维复合材料裂纹扩展理论基础
        2.4.3 机织层合碳纤维复合材料层间损伤模型
    2.5 层合纤维复合材料有限元仿真技术基础
        2.5.1 层合纤维复合材料单元及其算法
        2.5.2 层合纤维复合材料动力学仿真接触理论
        2.5.3 层合纤维复合材料失效准则
    2.6 本章小结
第3章 基于连续介质损伤力学建立层合纤维复合材料损伤模型
    3.1 引言
    3.2 机织层合碳纤维复合材料低速拉伸试验
        3.2.1 材料制备和低速拉伸试验条件
        3.2.2 低速拉伸试验结果与分析
    3.3 建立层合纤维复合材料损伤模型
        3.3.1 建立损伤因子函数
        3.3.2 建立弹性常数损伤方程
        3.3.3 损伤本构方程的建立
        3.3.4 应力-应变方程
    3.4 有限元仿真模型的建立
        3.4.1 建立材料模型
        3.4.2 边界条件
    3.5 有限元仿真结果分析
        3.5.1 带有损伤的有限元仿真结果分析
        3.5.2 应力-应变曲线的比较分析
        3.5.3 剩余刚度系数与损伤因子
    3.6 本章小结
第4章 机织层合碳纤维复合材料三点弯曲损伤及其仿真研究
    4.1 引言
    4.2 机织层合碳纤维复合材料三点弯曲试验
        4.2.1 材料制备和三点弯曲试验条件
        4.2.2 扫描电子显微镜(SEM)试验
    4.3 试验结果与分析
        4.3.1 三点弯曲试验结果与分析
        4.3.2 机织层合碳纤维复合材料损伤分析
        4.3.3 机织层合碳纤维复合材料断裂面损伤分析
    4.4 三点弯曲有限元仿真模型的建立
        4.4.1 仿真模型的选择
        4.4.2 边界条件
        4.4.3 失效准则
    4.5 三点弯曲有限元仿真模型结果与分析
        4.5.1 单元划分对有限元仿真的影响
        4.5.2 Tiebreak层数对有限元仿真的影响
        4.5.3 有限元仿真裂纹扩展分析
    4.6 本章小结
第5章 机织层合碳纤维复合材料低速冲击损伤及其仿真研究
    5.1 引言
    5.2 机织层合碳纤维复合材料冲击试验
        5.2.1 机织层合碳纤维复合材料落锤冲击试验
        5.2.2 机织层合碳纤维复合材料落无损探伤试验
    5.3 试验结果与分析
        5.3.1 低速冲击冲击力-时间结果分析
        5.3.2 低速冲击能量-时间结果分析
        5.3.3 低速冲击位移-时间结果分析
        5.3.4 低速冲击机织层合碳纤维复合材料损伤分析
    5.4 低速冲击有限元仿真模型的建立
        5.4.1 材料模型建立
        5.4.2 边界条件
    5.5 低速冲击有限元仿真模型结果与分析
        5.5.1 冲击力-时间曲线比较
        5.5.2 损伤形式比较
    5.6 本章小结
第6章 机织层合碳纤维复合材料汽车B柱损伤仿真分析
    6.1 引言
    6.2 机织层合碳纤维复合材料壳单元有限元仿真验证
        6.2.1 边界条件
        6.2.2 失效模型
        6.2.3 有限元仿真结果分析
    6.3 机织层合碳纤维复合材料汽车B柱弯曲有限元仿真
        6.3.1 边界条件
        6.3.2 有限元仿真结果分析
    6.4 机织层合碳纤维复合材料汽车B柱低速冲击有限元仿真
        6.4.1 边界条件
        6.4.2 有限元仿真结果分析
    6.5 变参数机织层合碳纤维复合材料汽车B柱低速冲击损伤仿真分析
        6.5.1 不同铺设角度机织碳纤维复合材料汽车B柱损伤仿真分析
        6.5.2 变强度机织碳纤维复合材料B柱损伤仿真分析
    6.6 整车侧面碰撞有限元仿真分析
        6.6.1 整车侧面碰撞有限元仿真模型的建立
        6.6.2 整车侧面碰撞有限元仿真有效性验证
        6.6.3 整车侧面碰撞有限元仿真结果分析
    6.7 本章小结
第7章 结论与展望
    7.1 全文结论
    7.2 创新成果
    7.3 研究展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维织物力学性能和冲压成形实验研究[J]. 郭文文,彭董挹海,黄小双,李云,姚远.  材料科学与工艺. 2017(03)
[2]碳纤维复合材料的发展及应用[J]. 张菡英,刘明.  工程塑料应用. 2015(11)
[3]碳纤维复合材料在汽车工业中的应用[J]. 赵艳荣,胡平,梁继才,张文杰.  合成树脂及塑料. 2015(05)
[4]织物结构对复合材料力学性能影响的试验研究[J]. 李丽英,孟松鹤,许承海,张涛,王国勇,刘建军.  材料科学与工艺. 2015(01)
[5]碳纤维复合材料层压板低速冲击试验研究[J]. 竺铝涛,张发.  航空发动机. 2015(01)
[6]碳纤维复合材料需求增长最快的将是汽车工业[J].   玻璃钢/复合材料. 2014(08)
[7]冲击方向对层合板低速冲击响应的模拟研究[J]. 陈县辉,张彦飞,杜瑞奎,赵贵哲,刘亚青.  工程塑料应用. 2014(05)
[8]先进复合材料从飞机转向汽车应用的关键技术[J]. 张靠民,李敏,顾轶卓,张佐光.  中国材料进展. 2013(11)
[9]汽车用碳纤维复合材料的发展历程及应用[J]. 竺铝涛.  上海汽车. 2013(11)
[10]纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板的失效分析[J]. 杜宇,杨涛,李志猛,戴维蓉.  宇航材料工艺. 2013(05)

博士论文
[1]纤维/树脂复合材料多尺度结构对力学性能的影响[D]. 屈鹏.山东大学 2012



本文编号：3638463