發(fā)布時間：2017-12-09 12:27

  本文關(guān)鍵詞：三維編織復合材料沖擊剪切響應(yīng)及其失效機理研究

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【摘要】：三維編織結(jié)構(gòu)復合材料是結(jié)構(gòu)整體性和抗分層能力最強的三維紡織結(jié)構(gòu)復合材料,其力學性能優(yōu)異,具有比強度高、損傷容限高、耐沖擊等力學性能,在航空航天、工業(yè)和體育等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。本論文旨在通過實驗手段和有限元分析方法深入研究三維編織復合材料沖擊剪切性能及其損傷機理,為其結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用提供重要依據(jù)。本論文主要研究工作：(1)采用MTS材料測試儀和分離式Hopkinson壓桿分別測試三維編織復合材料在準靜態(tài)和高應(yīng)變率下的沖擊剪切性能。通過對比三維編織復合材料在不同應(yīng)變率下的力學響應(yīng)特征和破壞形態(tài)研究其損傷機制和能量吸收特征,包括編織角效應(yīng)和尺寸效應(yīng)。(2)根據(jù)三維編織復合材料真實結(jié)構(gòu)和幾何特征建立全尺寸細觀結(jié)構(gòu)有限元模型,計算三維編織復合材料沖擊剪切響應(yīng)和漸進損傷過程。(3)結(jié)合顯微CT斷層掃描技術(shù)觀察三維編織復合材料在高應(yīng)變沖擊剪切載荷下的內(nèi)部破壞形態(tài)與分布特征,進一步探究其失效機理和能量吸收機制,同時驗證有限元模型的有效性。本論文主要結(jié)論：(1)三維編織復合材料沖擊剪切響應(yīng)具有顯著應(yīng)變率敏感性。在準靜態(tài)加載下材料表現(xiàn)出彈塑性力學響應(yīng)特征,在高應(yīng)變率加載下材料發(fā)生硬化效應(yīng),塑性特征不明顯。三維編織復合材料在沖擊剪切載荷下破壞形態(tài)復雜,破壞程度隨應(yīng)變率增加而增加,主要破壞模式由樹脂碎裂轉(zhuǎn)變?yōu)榧喚�斷裂。(2)編織角和試件厚度對三維編織復合材料沖擊剪切性能影響顯著。編織角測試范圍為25°、35°和45°,試件厚度選取3 mm、5 mm和8mm。三維編織復合材料剪切失效應(yīng)力和模量隨編織角增加顯著增加,因為三維編織預成型體結(jié)構(gòu)更加緊密,復合材料抗剪切能力增加。三維編織復合材料沖擊剪切性能隨試件厚度增加而增加,復合材料試件厚度越大,編織增強體中內(nèi)單胞紗線比例越高,抗剪切性能越好。此外,不同結(jié)構(gòu)參數(shù)三維編織復合材料沖擊剪切破壞形態(tài)差異也十分顯著。(3)通過有限元模擬,得到三維編織復合材料在不同應(yīng)變率下的沖擊剪切響應(yīng)及漸進損傷過程。研究發(fā)現(xiàn)編織增強體中面單胞和角單胞紗線應(yīng)力較高,不可忽略,在剪切帶區(qū)域高度集中。三維編織復合材料最終失效由拉伸和壓縮作用綜合導致。編織結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時,應(yīng)力波沿厚度方向傳播速度隨應(yīng)變率增加而加快,形成的剪切斷面越光滑。應(yīng)變率相同時,應(yīng)力波沿厚度方向傳播阻力隨試件厚度增大而增大,隨編織角增大而減小,破壞主要集中于材料表面。35°編織角復合材料背面斷裂形態(tài)呈折線條帶狀分布,45°編織角復合材料背面斷裂形態(tài)呈三段直線式分布。在剪切沖擊載荷下,復合材料兩條剪切帶中間部位形成低應(yīng)力區(qū)域,隨加載時間增加逐漸弱化,其中25°編織角復合材料低應(yīng)力區(qū)域形狀近似圓形,35°和45°編織角復合材料低應(yīng)力區(qū)域呈交叉形狀分布。(4)通過顯微CT斷層掃描技術(shù)得到三維編織復合材料內(nèi)部破壞特征及損傷類型。對比斷層掃描圖像和有限元模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)二者吻合度較高。沖擊剪切載荷下,三維編織復合材料基本破壞形式為基體開裂、界面脫粘、分層和纖維斷裂。當應(yīng)變率為1500s-1時,材料內(nèi)部破壞集中于中間厚度區(qū)域。隨應(yīng)變率增加,樹脂碎裂產(chǎn)生,纖維抽拔斷裂特征明顯。35°編織角三維編織復合材料只有材料表面發(fā)生樹脂開裂,內(nèi)部幾乎無損傷。而脆性斷裂特征隨試件厚度減小變得更加顯著,內(nèi)部產(chǎn)生嚴重分層現(xiàn)象。(5)結(jié)合有限元模型和斷層掃描結(jié)果,深入分析三維編織復合材料沖擊剪切過程中能量吸收特征和吸收機制。三維編織復合材料能量吸收能力依賴于其破壞進程及其損傷機理,吸收能量隨材料破壞程度加劇而增加,主要為損傷動能和塑性應(yīng)變能的積累。根據(jù)三維編織復合材料破壞進程將能量吸收歷程分為三個階段：線性吸能階段、第一塑性吸能階段(達到失效應(yīng)力前)和第二塑性吸能階段(達到失效應(yīng)力后)。
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB33

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 汪星明;邢譽峰;;三維編織復合材料研究進展[J];航空學報;2010年05期

2 陳利;劉景艷;馬振杰;梁子青;李嘉祿;;三維多向編織復合材料壓縮性能的試驗研究[J];固體火箭技術(shù);2006年01期

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

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本文編號：1270408