【摘要】：三維編織是制備復雜橫截面預成型體和異形件有效技術,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構缺陷,在長期靜態(tài)和動態(tài)加載中不存在分層失效模式,具備其他類型T型梁不具備的結構優(yōu)勢。本文以三維編織碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料T型梁為研究對象,實驗測試T型梁彎曲疲勞性質和S-N曲線,在單胞和細觀結構兩個層面數(shù)值分析彎曲疲勞失效機理,揭示T型梁幾何結構對細觀結構和組分材料對疲勞性質的影響規(guī)律。實驗研究中,測試三維五向編織復合材料T型梁準靜態(tài)三點彎曲性能,獲得材料載荷位移曲線和破壞形態(tài)。根據(jù)準靜態(tài)載荷峰值制定循環(huán)加載應力水平,分別在80%、70%、60%和50%應力水平條件下測試三維五向編織復合材料T型梁三點彎曲疲勞性能,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,疲勞壽命隨應力水平降低而增加,疲勞壽命極限為50%應力水平。(2)載荷撓度曲線存在明顯滯后圈,滯后圈面積隨循環(huán)加載進行而持續(xù)增大,直至材料失效。(3)不同應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筋處纖維斷裂。(4)準靜態(tài)和疲勞加載條件下?lián)p傷區(qū)域均集中在面板和加強筋中部,但疲勞加載條件下材料的損傷程度比準靜態(tài)條件下?lián)p傷程度嚴重。有限元分析中,在單胞尺度層面,根據(jù)三維五向編織T型梁預成型體細觀結構,構建五種基本單胞,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合材料T型梁單胞有限元模型,計算模型在不同應力水平條件下的剛度降解曲線、撓度變化曲線和應力和應變分布。在細觀尺度層面,建立三維五向編織復合材料T型梁小尺寸有限元模型,分析模型中不同組分材料的應力退化和應力分布情況、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)單胞模型有限元計算可以得到和實驗類似的“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,應力和應變集中區(qū)域均為面板和加強筋中部,加載過程中,應力變化較小,但應變變化較大,應變突變均發(fā)生在疲勞加載后期(98%疲勞壽命)。(3)細觀模型中,不同組分材料的應力退化趨勢一致,應力集中區(qū)域和破壞區(qū)域均為面板和加強筋中部位置和加強筋受約束位置。本課題利用實驗和有限元分析研究三維五向編織復合材料T型梁抗三點彎曲疲勞性能,揭示彎曲疲勞失效機理。該方法可進一步用于其他復雜截面的三維五向編織復合材料結構件的抗疲勞性能設計。
【圖文】：

（1）研究二維鋪層 T 型結構件力學行為較多，但研究三維紡織結構 T 型結構件力學行為較少，特別是三維編織結構 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合，彎曲循環(huán)載荷下三維五向編織復合材料疲勞失效機制有待進一步揭示。（3）現(xiàn)有單胞模型和細觀模型都是針對矩形截面結構材料，三維五向編織復合材料 T 型梁面板和加強筋交接區(qū)域存在特殊紗線結構，其單胞模型和細觀模型需要進一步完善。1.7 研究內(nèi)容及方案

第三步和第四步的紗錠運動方向分別與第一步、向相反。四步法原理，類似 A 部分編織過程，對 B 部分進行四步完成一個編織循環(huán)。每經(jīng)過兩個循環(huán)后對編織紗線打緊，，成兩個花節(jié)長度編織物。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
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB332

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 杜雙明;喬生儒;;基于電阻變化的3DC/SiC復合材料疲勞損傷演化[J];復合材料學報;2011年02期

2 李嘉祿,楊紅娜,寇長河;三維編織復合材料的疲勞性能[J];復合材料學報;2005年04期

本文編號：2674414