相比于傳統(tǒng)的層合板復(fù)合材料,編織類復(fù)合材料具有更高的損傷容限和更好的吸能特性,廣泛應(yīng)用在車輛、運(yùn)動裝備以及航空航天領(lǐng)域。本文所研究的二維三軸編織復(fù)合材料就是其中一種比較常用的編織類復(fù)合材料。然而,其自身內(nèi)部各向異性、非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)往往會在外載荷的作用下,呈現(xiàn)出多種復(fù)雜的失效模式,比如纖維的扭曲斷裂、基體的開裂以及界面的脫粘現(xiàn)象等,并且不同的失效模式之間還存在著相互的耦合。目前,利用傳統(tǒng)的單一尺度模型還不能準(zhǔn)確捕捉到上述的失效行為。因此建立多尺度的有限元漸進(jìn)損傷模型,研究其損傷失效機(jī)理,對編織類復(fù)合材料的安全、高效的使用具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文基于連續(xù)損傷力學(xué)(CDM),在纖維/基體尺度和纖維束編織結(jié)構(gòu)尺度上分別建立微觀和細(xì)觀漸進(jìn)損傷模型,以此來研究二維三軸編織復(fù)合材料在拉伸和壓縮載荷下?lián)p傷的起始和演化過程。首先,建立纖維呈六面體分布的纖維束微觀單胞模型,用最大應(yīng)變準(zhǔn)則和Stassi準(zhǔn)則分別來判定纖維和基體的初始損傷。結(jié)合基于斷裂能的漸進(jìn)損傷演化準(zhǔn)則,分析不同的外載荷作用下的單胞的損傷形態(tài),得到纖維束的剛度、強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù),并且與已有的理論公式計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明,利用所建的漸進(jìn)損傷模型得到的纖維束的力學(xué)參數(shù)與使用理論公式計(jì)算的結(jié)果接近。然后,將所獲得的纖維束力學(xué)參數(shù)導(dǎo)入到材料的細(xì)觀模型中,構(gòu)建高度保真的二維三軸編織復(fù)合材料的有限元漸進(jìn)損傷模型。其中,基體采用與微觀單胞內(nèi)基體相同的失效準(zhǔn)則和剛度折減方案;纖維束的初始損傷利用3D Hashin準(zhǔn)則來表征,其漸進(jìn)損傷過程同樣是利用基于斷裂能的剛度折減方案來模擬;纖維束和基體之間的界面損傷則采用二次名義應(yīng)力失效準(zhǔn)則和B-K模式的損傷演化準(zhǔn)則。最后,通過分別施加軸向和橫向的拉壓載荷來研究二維三軸編織復(fù)合材料的漸進(jìn)損傷過程,明確其具體的損傷模式。除此之外,還分析了纖維束與基體之間界面的性能和模型的尺寸對材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)數(shù)值模擬研究得到的材料拉伸和壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線和損傷形態(tài)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合度較好。此外還發(fā)現(xiàn)界面的性能對材料拉伸力學(xué)性能有著微弱的影響。不同的單胞模型尺寸對材料橫向的力學(xué)性能影響較大,而對材料軸向的力學(xué)性能影響較弱。
【學(xué)位單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

相較于正六面體單胞模型，正六棱柱單胞模型能夠使排列的纖維體積分?jǐn)?shù)逡逑更高，且更加符合真實(shí)的纖維束排列情況。然而，針對正六棱柱單胞模型的周期逡逑性邊界條件卻不容易施加，因此將其擴(kuò)展為六面體單胞模型，見圖２．４。逡逑圖２．邋２纖維束內(nèi)纖維的真實(shí)分布情況［Ｍ］逡逑ｍｓ逡逑（ａ）矩形分布邐（ｂ）六角分布邐（ｃ）隨機(jī)分布逡逑圖２．邋３纖維分布方式示意圖逡逑由圖２．４可知，該單胞模型滿足周期性要求，并且是規(guī)則的長方體，方便后逡逑續(xù)周期性邊界條件的施加。其中，長度／和寬度ｗ滿足／邋＝邋｜，本文將ｗ取為單逡逑位長度，所以單胞的纖維體積分?jǐn)?shù)＆可由式（２．２３）計(jì)算而得：逡逑＿邋＿邋尸邐＾邋＼逡逑Ｖｆ＝＾ｒ邐（２＿２３）逡逑此外考慮到二維三軸編織復(fù)合材料整體的纖維體積分?jǐn)?shù)［５邋３邋］，本文將軸向和斜逡逑向的纖維束內(nèi)部的纖維體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)一設(shè)定為＆邋＝８７．５％。纖維束和基體的性能參數(shù)逡逑見表２．１。逡逑翟．邐—＿纖維逡逑圖２．４六面體單胞模型逡逑１１逡逑

相較于正六面體單胞模型，正六棱柱單胞模型能夠使排列的纖維體積分?jǐn)?shù)逡逑更高，且更加符合真實(shí)的纖維束排列情況。然而，針對正六棱柱單胞模型的周期逡逑性邊界條件卻不容易施加，因此將其擴(kuò)展為六面體單胞模型，見圖２．４。逡逑圖２．邋２纖維束內(nèi)纖維的真實(shí)分布情況［Ｍ］逡逑ｍｓ逡逑（ａ）矩形分布邐（ｂ）六角分布邐（ｃ）隨機(jī)分布逡逑圖２．邋３纖維分布方式示意圖逡逑由圖２．４可知，該單胞模型滿足周期性要求，并且是規(guī)則的長方體，方便后逡逑續(xù)周期性邊界條件的施加。其中，長度／和寬度ｗ滿足／邋＝邋｜，本文將ｗ取為單逡逑位長度，所以單胞的纖維體積分?jǐn)?shù)＆可由式（２．２３）計(jì)算而得：逡逑＿邋＿邋尸邐＾邋＼逡逑Ｖｆ＝＾ｒ邐（２＿２３）逡逑此外考慮到二維三軸編織復(fù)合材料整體的纖維體積分?jǐn)?shù)［５邋３邋］，本文將軸向和斜逡逑向的纖維束內(nèi)部的纖維體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)一設(shè)定為＆邋＝８７．５％。纖維束和基體的性能參數(shù)逡逑見表２．１。逡逑翟．邐—＿纖維逡逑圖２．４六面體單胞模型逡逑１１逡逑

確的力學(xué)響應(yīng)。其中，為了便于結(jié)合周期性邊界條件，對模型施加位移載荷。通逡逑過給定不同的位移分量可以施加單胞模型中軸向拉伸、壓縮，橫向拉伸、壓縮，逡逑剪切等載荷，如圖２．６所示。逡逑／１ｈ邐７１Ｇ邋／Ｉｈ邋＾７＼Ｇ邐，＾１ｈ逡逑￣Ｉ邐Ｆ邐＊｜Ｅ＿ｊＦ邐３＇Ｅ￣；邐｜Ｆ邐＾￣￣￣｜邐［Ｆ逡逑ｔ邋Ｙ邐，均５邐＇／Ｃ邐／Ｃ邋．難邋ＸＣ邐＆邋／ｃ逡逑（ａ）軸向拉壓邋（ｂ）橫向拉壓邋（ｃ）邋Ｘ－Ｚ面剪切邐（ｄ）少一Ｚ面剪切逡逑圖２．邋６有限元模型邊界約束條件示意圖逡逑不同載荷作用下的周期性邊界條件和位移施加方式，如下式所示：逡逑（１）

【參考文獻(xiàn)】

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2 劉璐璐;宣海軍;張娜;;航空發(fā)動機(jī)復(fù)合材料機(jī)匣葉片包容性研究[J];工程力學(xué);2013年S1期

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本文編號：2829544