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三維多向編織復(fù)合材料宏細(xì)觀力學(xué)性能及高速?zèng)_擊損傷研究

字體大�。� | | 2016-03-03 18:35

 【摘要】：三維多向編織復(fù)合材料纖維束相互交織形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠從根本上克服傳統(tǒng)層合復(fù)合材料層間強(qiáng)度低、易分層的致命缺點(diǎn)；同時(shí)，其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，能夠很好地滿(mǎn)足航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧辖Y(jié)構(gòu)減重和高承載性能的要求，應(yīng)用前景十分廣闊。然而，材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，，表現(xiàn)出高度的非均勻性和各向異性，對(duì)其宏細(xì)觀力學(xué)性能及損傷機(jī)理的研究存在較大的難度。本文采用有限元數(shù)值模擬方法，緊緊圍繞多向編織材料的結(jié)構(gòu)建模、剛度強(qiáng)度性能預(yù)測(cè)和高速?zèng)_擊損傷分析等內(nèi)容展開(kāi)研究。主要內(nèi)容包括： （1）針對(duì)三維四向、三維五向編織復(fù)合材料，基于四步法1×1編織工藝攜紗器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究了材料各區(qū)域紗線(xiàn)的面內(nèi)和空間運(yùn)動(dòng)軌跡，分析了材料內(nèi)胞、面胞和角胞的紗線(xiàn)構(gòu)型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征。通過(guò)假設(shè)紗線(xiàn)橫截面為特定形狀并考慮各區(qū)域紗線(xiàn)的擠壓狀況差異，以位置節(jié)點(diǎn)和樣條曲線(xiàn)擬合紗線(xiàn)空間軌跡，建立了三維多向編織復(fù)合材料的三單胞實(shí)體結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)分析編織工藝參數(shù)與模型細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，以紗線(xiàn)橫截面尺寸和內(nèi)部編織角為輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)了三單胞模型的參數(shù)化。將材料的多胞結(jié)構(gòu)模型和采用虛擬切割方式獲得的內(nèi)胞空間結(jié)構(gòu)與已有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，初步驗(yàn)證了所建三單胞模型的合理準(zhǔn)確性。 （2）基于三維多向編織復(fù)合材料的三單胞實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，引入合適的邊界條件，基于ABAQUS/Standard軟件平臺(tái)，采用均勻化平均思想，建立了材料彈性性能預(yù)測(cè)的三單胞有限元模型。分析了三種單胞模型力學(xué)性能的差異并給出了典型載荷下三單胞模型的細(xì)觀應(yīng)力分布和變形狀態(tài)，探討了編織角和纖維體積含量對(duì)材料彈性性能的影響規(guī)律。 （3）針對(duì)紡織復(fù)合材料細(xì)觀有限元分析中，單胞網(wǎng)格的快速生成與順利施加周期性邊界條件之間的矛盾，提出了非周期性網(wǎng)格劃分條件下，一般性周期性邊界條件的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，并通過(guò)在單胞模型的相對(duì)面、相對(duì)邊及相對(duì)角點(diǎn)施加多點(diǎn)約束（MPC）方程，實(shí)現(xiàn)了一般性周期性邊界條件在有限元軟件中的施加�；谥芷谛跃W(wǎng)格劃分和非周期性網(wǎng)格劃分情況下三維四向編織復(fù)合材料單胞模型變形狀態(tài)、應(yīng)力分布及彈性性能的對(duì)比分析結(jié)果，驗(yàn)證了一般性周期性邊界條件的正確性和有效性。 （4）基于周期性細(xì)觀胞元分析思想，采用非線(xiàn)性有限元方法，應(yīng)用ABAQUS/Standard軟件平臺(tái)及材料用戶(hù)子程序UMAT，建立了三維多向編織復(fù)合材料的單向拉伸損傷分析模型。模型中區(qū)分了纖維束、基體和界面相三種組分材料，并結(jié)合組分材料本構(gòu)關(guān)系、失效準(zhǔn)則和材料性能退化方案，模擬了典型編織角材料的細(xì)觀損傷起始、擴(kuò)展和最終失效過(guò)程，分析了材料的細(xì)觀損傷失效機(jī)理，并基于所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)預(yù)測(cè)了材料的拉伸強(qiáng)度。 （5）基于ABAQUS/Explicit軟件平臺(tái)，通過(guò)材料用戶(hù)子程序VUMAT定義三種單胞結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)，建立了三維多向編織復(fù)合材料高速?zèng)_擊損傷分析有限元模型。模型中采用三維粘彈性損傷本構(gòu)模型模擬組分材料的力學(xué)特性，將Tsai-Wu準(zhǔn)則和Mises準(zhǔn)則分別用于纖維束和基體的損傷失效判斷，模擬了材料的高速?zèng)_擊損傷破壞過(guò)程，探討了沖擊速度對(duì)材料彈道性能和靶板吸能特性的影響規(guī)律。

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