相比于傳統(tǒng)的層合板復合材料,編織類復合材料具有更高的損傷容限和更好的吸能特性,廣泛應用在車輛、運動裝備以及航空航天領域。本文所研究的二維三軸編織復合材料就是其中一種比較常用的編織類復合材料。然而,其自身內部各向異性、非均質的結構往往會在外載荷的作用下,呈現出多種復雜的失效模式,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確捕捉到上述的失效行為。因此建立多尺度的有限元漸進損傷模型,研究其損傷失效機理,對編織類復合材料的安全、高效的使用具有十分重要的理論意義和工程應用價值。本文基于連續(xù)損傷力學(CDM),在纖維/基體尺度和纖維束編織結構尺度上分別建立微觀和細觀漸進損傷模型,以此來研究二維三軸編織復合材料在拉伸和壓縮載荷下損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,用最大應變準則和Stassi準則分別來判定纖維和基體的初始損傷。結合基于斷裂能的漸進損傷演化準則,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、強度等力學參數,并且與已有的理論公式計算的結果進行對比。結果表明,利用所建的漸進損傷模型得到的纖維束的力學參數與使用理論公式計算的結果接近。然后,將所獲得的纖維束力學參數導入到材料的細觀模型中,構建高度保真的二維三軸編織復合材料的有限元漸進損傷模型。其中,基體采用與微觀單胞內基體相同的失效準則和剛度折減方案;纖維束的初始損傷利用3D Hashin準則來表征,其漸進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力失效準則和B-K模式的損傷演化準則。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合材料的漸進損傷過程,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性能的影響。結果發(fā)現,經數值模擬研究得到的材料拉伸和壓縮的應力應變曲線和損傷形態(tài)與實驗數據擬合度較好。此外還發(fā)現界面的性能對材料拉伸力學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性能影響較大,而對材料軸向的力學性能影響較弱。
【學位單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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數逡逑更高，且更加符合真實的纖維束排列情況。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，因此將其擴展為六面體單胞模型，見圖２．４。逡逑圖２．邋２纖維束內纖維的真實分布情況［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數＆可由式（２．２３）計算而得：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合材料整體的纖維體積分數［５邋３邋］，本文將軸向和斜逡逑向的纖維束內部的纖維體積分數統(tǒng)一設定為＆邋＝８７．５％。纖維束和基體的性能參數逡逑見表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數逡逑更高，且更加符合真實的纖維束排列情況。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，因此將其擴展為六面體單胞模型，見圖２．４。逡逑圖２．邋２纖維束內纖維的真實分布情況［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數＆可由式（２．２３）計算而得：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合材料整體的纖維體積分數［５邋３邋］，本文將軸向和斜逡逑向的纖維束內部的纖維體積分數統(tǒng)一設定為＆邋＝８７．５％。纖維束和基體的性能參數逡逑見表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

確的力學響應。其中，為了便于結合周期性邊界條件，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】

相關期刊論文 前10條

1 張芳芳;劉才;;二維三軸編織復合材料強度及漸進損傷數值預測[J];機械工程學報;2015年08期

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

3 嚴雪;許希武;張超;;二維三軸編織復合材料的彈性性能分析[J];固體力學學報;2013年02期

4 盧子興;夏彪;王成禹;;三維六向編織復合材料漸進損傷模擬及強度預測[J];復合材料學報;2013年05期

5 張超;許希武;嚴雪;;紡織復合材料細觀力學分析的一般性周期性邊界條件及其有限元實現[J];航空學報;2013年07期

6 張超;許希武;毛春見;;三維編織復合材料漸進損傷模擬及強度預測[J];復合材料學報;2011年02期

7 徐q;許希武;;三維五向編織復合材料漸進損傷分析及強度預測[J];固體力學學報;2010年02期

8 王新峰;陳國軍;周光明;;三維機織復合材料拉伸損傷[J];南京航空航天大學學報;2010年01期

9 王新峰;周光明;王鑫偉;;平面機織復合材料的壓縮損傷[J];材料科學與工程學報;2007年05期

10 王新峰;周光明;王鑫偉;周儲偉;;平面機織復合材料在剪切載荷下損傷剛度折減分析[J];宇航學報;2007年05期

相關博士學位論文 前2條

1 張典堂;三維五向編織復合材料全場力學響應特性及細觀損傷分析[D];天津工業(yè)大學;2016年

2 劉璐璐;二維三軸編織帶纏繞碳纖維復合材料機匣包容性研究[D];浙江大學;2014年

相關碩士學位論文 前1條

1 王文莎;二維三軸編織混雜層合復合材料低速沖擊性能研究[D];東華大學;2015年

本文編號：2829544