三维编织复合材料冲击剪切响应及其失效机理研究

发布时间：2017-12-09 12:27

  本文关键词：三维编织复合材料冲击剪切响应及其失效机理研究

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【摘要】：三维编织结构复合材料是结构整体性和抗分层能力最强的三维纺织结构复合材料,其力学性能优异,具有比强度高、损伤容限高、耐冲击等力学性能,在航空航天、工业和体育等领域引起广泛关注。本论文旨在通过实验手段和有限元分析方法深入研究三维编织复合材料冲击剪切性能及其损伤机理,为其结构设计和应用提供重要依据。本论文主要研究工作：(1)采用MTS材料测试仪和分离式Hopkinson压杆分别测试三维编织复合材料在准静态和高应变率下的冲击剪切性能。通过对比三维编织复合材料在不同应变率下的力学响应特征和破坏形态研究其损伤机制和能量吸收特征,包括编织角效应和尺寸效应。(2)根据三维编织复合材料真实结构和几何特征建立全尺寸细观结构有限元模型,计算三维编织复合材料冲击剪切响应和渐进损伤过程。(3)结合显微CT断层扫描技术观察三维编织复合材料在高应变冲击剪切载荷下的内部破坏形态与分布特征,进一步探究其失效机理和能量吸收机制,同时验证有限元模型的有效性。本论文主要结论：(1)三维编织复合材料冲击剪切响应具有显著应变率敏感性。在准静态加载下材料表现出弹塑性力学响应特征,在高应变率加载下材料发生硬化效应,塑性特征不明显。三维编织复合材料在冲击剪切载荷下破坏形态复杂,破坏程度随应变率增加而增加,主要破坏模式由树脂碎裂转变为纱线断裂。(2)编织角和试件厚度对三维编织复合材料冲击剪切性能影响显著。编织角测试范围为25°、35°和45°,试件厚度选取3 mm、5 mm和8mm。三维编织复合材料剪切失效应力和模量随编织角增加显著增加,因为三维编织预成型体结构更加紧密,复合材料抗剪切能力增加。三维编织复合材料冲击剪切性能随试件厚度增加而增加,复合材料试件厚度越大,编织增强体中内单胞纱线比例越高,抗剪切性能越好。此外,不同结构参数三维编织复合材料冲击剪切破坏形态差异也十分显著。(3)通过有限元模拟,得到三维编织复合材料在不同应变率下的冲击剪切响应及渐进损伤过程。研究发现编织增强体中面单胞和角单胞纱线应力较高,不可忽略,在剪切带区域高度集中。三维编织复合材料最终失效由拉伸和压缩作用综合导致。编织结构参数相同时,应力波沿厚度方向传播速度随应变率增加而加快,形成的剪切断面越光滑。应变率相同时,应力波沿厚度方向传播阻力随试件厚度增大而增大,随编织角增大而减小,破坏主要集中于材料表面。35°编织角复合材料背面断裂形态呈折线条带状分布,45°编织角复合材料背面断裂形态呈三段直线式分布。在剪切冲击载荷下,复合材料两条剪切带中间部位形成低应力区域,随加载时间增加逐渐弱化,其中25°编织角复合材料低应力区域形状近似圆形,35°和45°编织角复合材料低应力区域呈交叉形状分布。(4)通过显微CT断层扫描技术得到三维编织复合材料内部破坏特征及损伤类型。对比断层扫描图像和有限元模拟结果,发现二者吻合度较高。冲击剪切载荷下,三维编织复合材料基本破坏形式为基体开裂、界面脱粘、分层和纤维断裂。当应变率为1500s-1时,材料内部破坏集中于中间厚度区域。随应变率增加,树脂碎裂产生,纤维抽拔断裂特征明显。35°编织角三维编织复合材料只有材料表面发生树脂开裂,内部几乎无损伤。而脆性断裂特征随试件厚度减小变得更加显著,内部产生严重分层现象。(5)结合有限元模型和断层扫描结果,深入分析三维编织复合材料冲击剪切过程中能量吸收特征和吸收机制。三维编织复合材料能量吸收能力依赖于其破坏进程及其损伤机理,吸收能量随材料破坏程度加剧而增加,主要为损伤动能和塑性应变能的积累。根据三维编织复合材料破坏进程将能量吸收历程分为三个阶段：线性吸能阶段、第一塑性吸能阶段(达到失效应力前)和第二塑性吸能阶段(达到失效应力后)。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB33

【参考文献】

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1 汪星明;邢誉峰;;三维编织复合材料研究进展[J];航空学报;2010年05期

2 陈利;刘景艳;马振杰;梁子青;李嘉禄;;三维多向编织复合材料压缩性能的试验研究[J];固体火箭技术;2006年01期

3 陈利,陶肖明,蔡忠龙;A STRUCTURAL ANALYSIS OF THREE-DIMENSIONAL BRAIDS[J];Journal of China Textile University(English Edition);1997年03期

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本文编号：1270408