【摘要】：近年來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)對(duì)復(fù)合材料需求逐年增加的大背景下,針對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度和損傷機(jī)理研究一直是固體力學(xué)學(xué)科的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。很多學(xué)者分別從試驗(yàn)、理論和仿真方面給出了解答,但仍然有兩大問(wèn)題亟待解決。主要包括:機(jī)織復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下的漸進(jìn)損傷機(jī)理定性及定量描述;適用于機(jī)織復(fù)合材料的損傷準(zhǔn)測(cè)和失效模型的提煉與選擇。本文在開(kāi)展機(jī)織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和壓縮試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用從試驗(yàn)獲取的宏、細(xì)觀力學(xué)特征,主要包括:應(yīng)力-應(yīng)變曲線、聲發(fā)射能量累積曲線和全場(chǎng)應(yīng)變結(jié)果,總結(jié)該材料的損傷規(guī)律和失效特點(diǎn),而后從細(xì)觀尺度出發(fā),基于連續(xù)性損傷力學(xué)和漸進(jìn)損傷演化理論,提出一個(gè)修正的材料本構(gòu)模型,對(duì)機(jī)織復(fù)合材料漸進(jìn)損傷和失效進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。本文的具體工作如下:首先,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)斜紋機(jī)織復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸和壓縮試驗(yàn),分析機(jī)織復(fù)合材料的破壞過(guò)程。為了分析機(jī)織材料準(zhǔn)靜態(tài)的材料內(nèi)部的細(xì)觀失效模式的狀態(tài)和歷程,以及對(duì)材料宏觀力學(xué)響應(yīng)的影響,試驗(yàn)借助聲發(fā)射(AE)監(jiān)測(cè)手段分析材料內(nèi)部損傷狀態(tài)隨外載荷的演化規(guī)律。采用數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)分析材料的宏觀應(yīng)變場(chǎng)的應(yīng)力分布隨載荷和損傷的變化歷程。通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果,基于聲發(fā)射信號(hào)和全場(chǎng)應(yīng)變分布隨整個(gè)加載破壞行為的歷程變化,結(jié)合宏觀力學(xué)響應(yīng)和細(xì)觀損傷漸進(jìn)過(guò)程中的信息,分析宏觀、細(xì)觀損傷演化規(guī)律。為漸進(jìn)損傷分析模型提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。其次,數(shù)值分析部分。根據(jù)世界范圍競(jìng)賽對(duì)不同的失效準(zhǔn)則排名的結(jié)論,基于Puck失效準(zhǔn)則和擴(kuò)展的三維Hashin失效準(zhǔn)則,提出一個(gè)考慮細(xì)觀失效機(jī)制的漸進(jìn)損傷模型。從細(xì)觀角度,考慮組份材料不同的破壞模式。主要將纖維束的失效模式分為纖維失效模式(FF)和纖維間失效模式(IFF)。基于三維的A.Matzenmiller各向異性損傷本構(gòu)方程,引入了表征不同失效模式的損傷內(nèi)變量。結(jié)合ABAQUS用戶子程序接口,編寫(xiě)了基于Puck和Hashin失效準(zhǔn)則的漸進(jìn)損傷演化模型的VUMAT子程序。最后,應(yīng)用上述模型對(duì)T800H-6k/803A碳纖維雙馬樹(shù)脂基織物復(fù)合材料開(kāi)展?jié)u進(jìn)損傷分析,并對(duì)比數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)分析結(jié)果。根據(jù)機(jī)織復(fù)合材料的實(shí)際尺寸提取了代表性體積單胞;建立幾何模型;導(dǎo)入Hypermesh前處理軟件劃分周期性網(wǎng)格。在商業(yè)有限元軟件Abaqus中施加周期性邊界條件,并分析單軸拉伸載荷下材料的漸進(jìn)損傷和失效行為。將基于代表性體積單胞的漸進(jìn)損傷演化分析結(jié)果與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)獲取的損傷演化信息對(duì)比,驗(yàn)證理論模型和用戶子程序的可靠性和討論誤差來(lái)源。綜上所述:本文從試驗(yàn)和數(shù)值仿真兩個(gè)方面針對(duì)機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀尺度上的失效模式和漸進(jìn)損傷行為開(kāi)展了研究。獲取了該類(lèi)材料在準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下?lián)p傷、失效的宏、細(xì)觀表征參數(shù);實(shí)現(xiàn)基于細(xì)觀尺度的三維復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的漸進(jìn)損傷演化分析模型建立;通過(guò)將預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,證明該仿真方法在預(yù)測(cè)機(jī)織復(fù)合材料剛度強(qiáng)度方面具有較好的結(jié)果。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文互之間的編織角度影響局部應(yīng)力分布和損傷的觸發(fā)。Lei,SY[13]分析了纖維束體積分?jǐn)?shù)對(duì)局部應(yīng)變的影響。因此，，纖維的體積分?jǐn)?shù)是一個(gè)重要的分析參數(shù)。Lomov,Stepan Vladimirovitch 等人[14]，研究了織物層與層之間的相互嵌套，表明不同程度的嵌套現(xiàn)象導(dǎo)致剛度在 10-20%之間的波動(dòng)和對(duì)分層的強(qiáng)度有一定影響。Chou and Ishikawa[15]最早提出一個(gè)拼接模型(Mosaic model)模型，基于經(jīng)典層合板理論，預(yù)測(cè)二維機(jī)織復(fù)合材料的等效彈性能。繼而，Gao, X-L[16]等人，通過(guò)采用拼接模型(Mosaic model)模型，如圖 1-1 對(duì)機(jī)織復(fù)合材料分析，并進(jìn)行參數(shù)研究分析。

- 6 -圖 1-2 (a)3D 正交機(jī)織單包模型；(b)3-D 拼接單包模型[17]Chou,Ishikawa 等人[18]提出三個(gè)分析模型研究機(jī)織復(fù)合材料的剛度和 Mosaic model 如圖 1-3 能有效預(yù)測(cè)材料彈性剛度性能。其中考慮纖對(duì)機(jī)織復(fù)合材料的扭結(jié)(knee behaviour)失效行為。作者從兩方面分析
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TB332

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