三維五向編織復合材料全場力學響應特性及細觀損傷分析.pdf

1、三維編織復合材料具有低密度、高比剛度、高比強度、良好抗損傷容限、耐沖擊和抗疲勞等優(yōu)異力學性能，從根本上克服了層合復合材料易分層破壞等致命缺陷，因而在工程領域廣受青睞。近年來，隨著三維編織織造技術的日益成熟及機械自動化程度的不斷提高，三維編織復合材料有望在充分發(fā)揮高效減重及低成本優(yōu)勢的前提下，利用其預成型體結構靈活多變和可設計性強的特點，實現(xiàn)材料性能的“特定規(guī)劃”及復雜異型構件的近凈尺寸制備，可避免因材料拼接而導致的結構缺陷，從而成為航天

2、航空部分特殊主承力構件和功能構件的理想候選結構材料。然而，三維編織復合材料纖維束交織構造復雜，且全場纖維束取向、擠壓形態(tài)和分布比例將會隨構件形狀或性能要求而發(fā)生變化，這就導致全場細觀結構參數(shù)高度異質(zhì)，給其力學性能分析帶來了很大難度。本文以三維五向編織復合材料為研究對象，采用試驗、理論模型和數(shù)值模擬方法對材料的全場力學響應及細觀損傷進行了研究。主要內(nèi)容包括:
　　(1)采用島津萬能材料試驗機和DIC非接觸全場應變分析儀測試了三維五向

3、編織復合材料在縱向拉伸、縱向壓縮、橫向拉伸和橫向壓縮載荷下的力學性能，重點分析了邊界條件對三維五向編織復合材料不同載荷下全場力學特性及失效機制的影響。研究結果表明，切邊造成了三維五向編織復合材料邊界處纖維束不連續(xù)，同時伴有邊界裂紋等缺陷產(chǎn)生及擴展，致使三維五向編織復合材料全場應變分布及失效機制發(fā)生改變。
　　(2)根據(jù)四步法三維五向編織攜紗器的運動規(guī)律，研究了三維五向編織預成型體內(nèi)部、表面和棱角區(qū)域的紗線運動軌跡和細觀拓撲結構，結

4、合觀測的紗線真實截面及擠壓形態(tài)，建立了基于三單胞模型的宏觀桿模型及宏觀均質(zhì)模型。在此基礎上，建立了纖維嵌入基體有限元模型和多尺度有限元模型，利用商用有限元軟件ABAQUS/Standard獲得了三維五向編織復合材料的全場力學特性，從宏觀上探討了編織角和邊界條件等因素對三維五向編織復合材料力學性能的影響規(guī)律。結果表明，纖維嵌入基體模型能夠成功捕捉三維五向編織復合材料在不同載荷下的全場位移、應變和應力分布圖像，通過與試驗結果對比，驗證了纖維

5、嵌入基體模型的正確性和合理性。
　　(3)基于內(nèi)部單胞實體模型，建立了包含材料初始損傷準則、損傷演化及損傷本構的細觀漸進損傷模型，并編寫了用戶自定義程序UMAT，預報了三維五向編織復合材料在不同單軸載荷下的強度值，模擬了三維五向編織復合材料在縱向拉伸、縱向壓縮、橫向拉伸和橫向壓縮載荷下的損傷起始、擴展和最終失效過程，分析了三維五向編織復合材料的細觀損傷失效機制，通過與試驗進行對比，驗證了數(shù)值模擬的可靠性。
　　(4)通過對三

6、維五向編織復合材料在雙軸載荷下的強度特性進行研究，給出了三維五向編織復合材料強度準則的簡單構造形式，繪制了失效包絡線，并與Tsai-Wu準則、Tsai-Hill準則對應的失效包絡線進行了對比。結果顯示，本文給出的強度準則在一定程度上能夠較好地表征三維五向編織復合材料在雙軸載荷作用下的力學行為。
　　(5)基于多尺度分析模型，利用ABAQUS二次開發(fā)平臺，開發(fā)了新的圖形用戶界面，采用Python語言編寫了三維五向編織復合材料的虛擬設