【摘要】：三維編織是制備復(fù)雜橫截面預(yù)成型體和異形件有效技術(shù),例如三維編織T型梁。在三維編織T型梁中消除筋板和面板間接縫和結(jié)構(gòu)缺陷,在長(zhǎng)期靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載中不存在分層失效模式,具備其他類型T型梁不具備的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。本文以三維編織碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料T型梁為研究對(duì)象,實(shí)驗(yàn)測(cè)試T型梁彎曲疲勞性質(zhì)和S-N曲線,在單胞和細(xì)觀結(jié)構(gòu)兩個(gè)層面數(shù)值分析彎曲疲勞失效機(jī)理,揭示T型梁幾何結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)和組分材料對(duì)疲勞性質(zhì)的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究中,測(cè)試三維五向編織復(fù)合材料T型梁準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲性能,獲得材料載荷位移曲線和破壞形態(tài)。根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)載荷峰值制定循環(huán)加載應(yīng)力水平,分別在80%、70%、60%和50%應(yīng)力水平條件下測(cè)試三維五向編織復(fù)合材料T型梁三點(diǎn)彎曲疲勞性能,獲得材料的疲勞壽命(S-N)曲線,載荷-撓度曲線、剛度退化曲線及破壞形態(tài)等。研究發(fā)現(xiàn):(1)根據(jù)疲勞壽命(S-N)曲線,疲勞壽命隨應(yīng)力水平降低而增加,疲勞壽命極限為50%應(yīng)力水平。(2)載荷撓度曲線存在明顯滯后圈,滯后圈面積隨循環(huán)加載進(jìn)行而持續(xù)增大,直至材料失效。(3)不同應(yīng)力水平下剛度退化曲線均呈現(xiàn)明顯的“三階段”規(guī)律,不同階段損傷機(jī)制不同。加載初始階段主要是面板處樹脂基體開裂,加載中期階段為纖維和樹脂界面脫粘,加載最終階段為加強(qiáng)筋處纖維斷裂。(4)準(zhǔn)靜態(tài)和疲勞加載條件下?lián)p傷區(qū)域均集中在面板和加強(qiáng)筋中部,但疲勞加載條件下材料的損傷程度比準(zhǔn)靜態(tài)條件下?lián)p傷程度嚴(yán)重。有限元分析中,在單胞尺度層面,根據(jù)三維五向編織T型梁預(yù)成型體細(xì)觀結(jié)構(gòu),構(gòu)建五種基本單胞,即內(nèi)單胞、面單胞、角單胞、交接內(nèi)單胞和交接角單胞。然后建立三維五向編織復(fù)合材料T型梁?jiǎn)伟邢拊Ｐ?計(jì)算模型在不同應(yīng)力水平條件下的剛度降解曲線、撓度變化曲線和應(yīng)力和應(yīng)變分布。在細(xì)觀尺度層面,建立三維五向編織復(fù)合材料T型梁小尺寸有限元模型,分析模型中不同組分材料的應(yīng)力退化和應(yīng)力分布情況、能量吸收情況以及模型整體的界面損傷情況和疲勞損傷形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn):(1)單胞模型有限元計(jì)算可以得到和實(shí)驗(yàn)類似的“三階段”剛度降解曲線和撓度變化曲線,加載初始階段和加載最終階段,材料剛度急劇下降,材料撓度大幅增加。加載中期階段,剛度緩慢下降,撓度增加幅度較小。(2)單胞模型中,應(yīng)力和應(yīng)變集中區(qū)域均為面板和加強(qiáng)筋中部,加載過程中,應(yīng)力變化較小,但應(yīng)變變化較大,應(yīng)變突變均發(fā)生在疲勞加載后期(98%疲勞壽命)。(3)細(xì)觀模型中,不同組分材料的應(yīng)力退化趨勢(shì)一致,應(yīng)力集中區(qū)域和破壞區(qū)域均為面板和加強(qiáng)筋中部位置和加強(qiáng)筋受約束位置。本課題利用實(shí)驗(yàn)和有限元分析研究三維五向編織復(fù)合材料T型梁抗三點(diǎn)彎曲疲勞性能,揭示彎曲疲勞失效機(jī)理。該方法可進(jìn)一步用于其他復(fù)雜截面的三維五向編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的抗疲勞性能設(shè)計(jì)。
【圖文】：

（1）研究二維鋪層 T 型結(jié)構(gòu)件力學(xué)行為較多，但研究三維紡織結(jié)構(gòu) T 型結(jié)構(gòu)件力學(xué)行為較少，特別是三維編織結(jié)構(gòu) T 型梁。（2）疲勞研究中，研究拉-拉疲勞和壓-壓疲勞性能較多，但研究彎-彎疲勞性能較少，彎曲加載可視為拉伸和壓縮加載方式結(jié)合，彎曲循環(huán)載荷下三維五向編織復(fù)合材料疲勞失效機(jī)制有待進(jìn)一步揭示。（3）現(xiàn)有單胞模型和細(xì)觀模型都是針對(duì)矩形截面結(jié)構(gòu)材料，三維五向編織復(fù)合材料 T 型梁面板和加強(qiáng)筋交接區(qū)域存在特殊紗線結(jié)構(gòu)，其單胞模型和細(xì)觀模型需要進(jìn)一步完善。1.7 研究?jī)?nèi)容及方案

第三步和第四步的紗錠運(yùn)動(dòng)方向分別與第一步、向相反。四步法原理，類似 A 部分編織過程，對(duì) B 部分進(jìn)行四步完成一個(gè)編織循環(huán)。每經(jīng)過兩個(gè)循環(huán)后對(duì)編織紗線打緊，，成兩個(gè)花節(jié)長(zhǎng)度編織物。編織紗線行數(shù)為1m ，軸紗行數(shù)為1p ，編織紗線列數(shù)為1n分的編織紗線行數(shù)為2m ，軸紗行數(shù)為2p ，編織紗線列數(shù)則紗線總根數(shù) N 的計(jì)算公式為：1 1 2 2 1 2 1 1 1 2 2N m n m n m m n 1 p q p q
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB332

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 杜雙明;喬生儒;;基于電阻變化的3DC/SiC復(fù)合材料疲勞損傷演化[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2011年02期

2 李嘉祿,楊紅娜,寇長(zhǎng)河;三維編織復(fù)合材料的疲勞性能[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2005年04期

本文編號(hào)：2674414