三維編織復(fù)合材料T型梁集復(fù)合材料高比強(qiáng)度和高比剛度性能、三維編織結(jié)構(gòu)抗分層性能以及T型梁高抗彎剛度等優(yōu)異特點(diǎn)于一體,可應(yīng)用于高速列車、新能源汽車以及輕質(zhì)飛行器等領(lǐng)域。本文旨在進(jìn)行三維編織復(fù)合材料T型梁高溫場(chǎng)橫向沖擊加載熱力耦合響應(yīng)與損傷機(jī)理分析。主要研究?jī)?nèi)容:(1)采用MTS 810.23材料測(cè)試系統(tǒng)搭載自制高溫環(huán)境裝置對(duì)不同筋高高度(0mm、5mm和10mm)三維編織復(fù)合材料T型梁在不同溫度(20℃、50℃、75℃和100℃)下進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)橫向彎曲加載測(cè)試,研究復(fù)合材料T型梁高溫場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)橫向彎曲加載響應(yīng)。(2)采用改進(jìn)型分離式霍普金森桿搭載自制高溫環(huán)境裝置對(duì)不同筋高高度(0mm、5mm和10mm)三維編織復(fù)合材料T型梁在不同溫度(20℃、50℃、75℃和100℃)和不同沖擊加載速度(8.5 m/s、11 m/s和13.5 m/s)下進(jìn)行橫向沖擊加載測(cè)試,研究溫度和沖擊速度以及筋高高度對(duì)復(fù)合材料T型梁橫向沖擊加載響應(yīng)影響。(3)建立三維編織復(fù)合材料多尺度結(jié)構(gòu)模型,建立計(jì)及溫度效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)熱力耦合本構(gòu)材料模型,引入絕熱溫升方程,建立完整閉合熱力耦合模型,并編寫用戶自定義材料子程序(VUMAT)。利用有限元軟件ABAQUS建立三維編織復(fù)合材料沖擊壓縮有限元模型,調(diào)用VUMAT,計(jì)算三維編織復(fù)合材料沖擊壓縮熱力耦合響應(yīng),驗(yàn)證熱力耦合模型有效性。(4)基于所建熱力耦合本構(gòu)模型,采用ABAQUS建立三維編織復(fù)合材料T型梁高溫場(chǎng)橫向沖擊模型,并調(diào)用VUMAT,計(jì)算三維編織復(fù)合材料T型梁高溫場(chǎng)橫向沖擊響應(yīng),分析其熱力耦合損傷機(jī)理。主要研究發(fā)現(xiàn):(1)溫度和筋高高度對(duì)三維編織復(fù)合材料T型梁準(zhǔn)靜態(tài)橫向加載響應(yīng)具有明顯影響。T型梁準(zhǔn)靜態(tài)橫向載荷和能量吸收隨測(cè)試溫度增加而減小,隨筋高高度增加而增加;位移隨測(cè)試溫度和筋高高度增加均減小;筋高高度對(duì)于T型梁準(zhǔn)靜態(tài)橫向加載響應(yīng)影響比溫度影響更加顯著;T型梁主要失效模式為紗線斷裂和樹脂開裂,低溫到高溫時(shí)失效由脆性轉(zhuǎn)為塑性。(2)溫度、沖擊速度和筋高高度對(duì)復(fù)合材料T型梁橫向沖擊加載響應(yīng)有很大影響。溫度越高,T型梁橫向沖擊載荷越小、位移越大以及沖擊吸收能量越小;沖擊速度越高,T型梁橫向沖擊載荷越大、位移越大以及沖擊吸收能量越大;筋高高度越高,T型梁橫向沖擊載荷越大、位移越小以及沖擊吸收能量越大;沖擊速度和筋高高度對(duì)T型梁沖擊加載響應(yīng)影響比溫度對(duì)其影響更為顯著;不同筋高高度T型梁在不同溫度和沖擊速度下主要失效模式均為剪切損傷失效,表現(xiàn)為紗線斷裂和樹脂碎裂,損傷由T型梁底板向筋高部位進(jìn)行擴(kuò)展。(3)有限元計(jì)算三維編織復(fù)合材料高溫場(chǎng)沖擊壓縮響應(yīng)能夠驗(yàn)證熱力耦合模型有效性。沖擊壓縮變形導(dǎo)致熱量產(chǎn)生,復(fù)合材料溫度升高,塑性變形為溫升主要來源;測(cè)試溫度越高,復(fù)合材料應(yīng)力和模量越小,導(dǎo)致塑性功減小,溫升越小;沖擊加載氣壓越高,應(yīng)變率越高,復(fù)合材料失效應(yīng)力和應(yīng)變隨著應(yīng)變率增加而增大,產(chǎn)生更大塑性功導(dǎo)致溫升越高;復(fù)合材料應(yīng)力受溫度和沖擊加載強(qiáng)度影響,材料內(nèi)部溫升反過來受到材料應(yīng)力影響,溫升又進(jìn)一步影響材料性能,形成封閉熱力耦合循環(huán);復(fù)合材料在沖擊壓縮加載時(shí)應(yīng)力分布和溫度分布均呈“X”型剪切分布,主要受到剪切力作用,并表現(xiàn)為剪切失效模式。(4)采用熱力耦合有限元模型能夠有效模擬三維編織復(fù)合材料T型梁高溫場(chǎng)橫向沖擊響應(yīng)行為。不同測(cè)試溫度下,T型梁加載中心點(diǎn)峰值應(yīng)力隨應(yīng)力波周期增加而逐漸減小;首個(gè)周期峰值應(yīng)力隨測(cè)試溫度增加而下降;與應(yīng)力對(duì)應(yīng),周期性溫升逐漸減小,總溫升逐漸累積;溫升隨著測(cè)試溫度增加而減少;應(yīng)力越高,產(chǎn)生溫升越高,而測(cè)試溫度越高,應(yīng)力越小,形成熱力耦合作用;隨著應(yīng)力波周期增加,試樣應(yīng)力分布和溫度分布范圍逐漸增加,試樣損傷增加,主要集中在試樣中部加載位置和兩端夾持部位;隨著測(cè)試溫度增加,相對(duì)應(yīng)應(yīng)力波周期應(yīng)力和溫升減小,應(yīng)力分布和溫度分布范圍減小,測(cè)試溫度增加對(duì)材料性能具有弱化作用;不同沖擊速度下,T型梁加載中心點(diǎn)峰值應(yīng)力隨應(yīng)力波周期增加逐漸下降,隨沖擊加載速度增加而增加;對(duì)應(yīng)溫升隨應(yīng)力波周期性加載逐漸減少,總溫升逐漸累積,并隨沖擊加載速度增加而增加;試樣應(yīng)力分布和溫度分布均隨應(yīng)力波周期增加逐漸增加,試樣損傷增加,主要集中于中部加載位置和兩端夾持部位;隨沖擊加載速度增加,相同周期應(yīng)力分布和溫度分布范圍增加,試樣損傷增加;比較計(jì)算模型和測(cè)試試樣損傷形態(tài),應(yīng)力集中區(qū)和試樣正面損傷區(qū)域隨測(cè)試溫度增加變小,損傷主要集中于試樣中間部位以及兩端夾持部位;隨著沖擊加載速度增加,應(yīng)力分布范圍擴(kuò)大,損傷程度增加,三維編織復(fù)合材料T型梁具有較高速度抗沖擊能力。本文所建熱力耦合模型可擴(kuò)展到其它紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不同溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)沖擊加載熱力耦合響應(yīng)行為分析和預(yù)測(cè),可為紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在高速車輛和輕量化汽車和輕質(zhì)飛行器等領(lǐng)域應(yīng)用提供強(qiáng)度預(yù)測(cè)和性能評(píng)估。
【學(xué)位單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其具有輕質(zhì)高強(qiáng)和優(yōu)異可設(shè)計(jì)性能被廣泛用于空天飛行器和風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等領(lǐng)域[1-4]。伴隨低碳經(jīng)濟(jì)以及科技發(fā)展，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在高速列車和新能源汽車以及輕質(zhì)飛行器等新興領(lǐng)域應(yīng)用也越來越受到人們重視[5-7]。為提高傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料易分層的不足、增強(qiáng)復(fù)合材料整體性和層間強(qiáng)度，三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料得以發(fā)展和應(yīng)用[8-10]。三維編織復(fù)合材料是一種具有獨(dú)特性能的三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其編織紗線在三維空間中呈多向分布特點(diǎn)，抗分層，相較于層合復(fù)合材料具有的高比強(qiáng)度和高比模量等優(yōu)點(diǎn)，還具有損傷容限高和抗沖擊性能好以及良好抗疲勞性能[9]。三維編織技術(shù)可以直接一體織造成型形狀復(fù)雜的預(yù)成型體[11]，如 I 型梁和 T 型梁以及圓管等結(jié)構(gòu)，可用于制作各種飛行器承力梁、支架以及接頭等，如圖 1.1 所示，直升機(jī)起落架、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和火箭筒身均為三維編織復(fù)合材料整體制備而成[12]，并普及到汽車，游艇，醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域[13, 14]。

基于多尺度結(jié)構(gòu)模型，建立計(jì)及溫度效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)熱力耦合本構(gòu)方程，引入溫升方程，形成閉合熱力耦合材料模型，計(jì)算三維編織復(fù)合材料高溫動(dòng)態(tài)沖擊下熱力耦合響應(yīng)，分析其熱力耦合損傷失效機(jī)理。1.2 三維編織預(yù)成型體技術(shù)三維編織預(yù)成型體技術(shù)產(chǎn)生于二十世紀(jì)六十年代后期，主要用于生產(chǎn)航天器部件，并在二十世紀(jì)八十年代和九十年代取得較快發(fā)展，出現(xiàn)不同編織技術(shù)，主要為二步編織法和四步編織法，還包括六步編織法和多步編織法[15, 16]。編織紗線通過攜紗器在編織機(jī)上沿著固定軌道運(yùn)動(dòng)，彼此相互交織編織出不同形狀織物。圖 1.2 所示為二步編織法紗線移動(dòng)規(guī)律，每移動(dòng)兩步完成一次循環(huán)編織，每一步編織紗沿箭頭指向進(jìn)行移動(dòng)，并停在箭頭指向位置，其中軸紗沿織物成型方向保持伸直狀態(tài)[17]。

圖 1.3 四步法編織紗線運(yùn)動(dòng)規(guī)律[15]二步編織法和四步編織法均可編織方型和圓形兩種編織形式。方型編織預(yù)成型體相鄰兩面構(gòu)成直角，如 I 型梁和 T 型梁等。圓形編織物截面為圓形，例如編織圓管等。這些不同三維編織技術(shù)可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜多樣編織預(yù)成型體，為特殊結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供可能。1.3 三維編織復(fù)合材料沖擊性能研究Gu 和 Xu[18, 19]通過實(shí)驗(yàn)研究三維編織復(fù)合材料彈道沖擊破壞形態(tài)和失效模式，并利用“纖維傾斜模型”進(jìn)行數(shù)值計(jì)算其彈道侵徹?fù)p傷過程，獲得三維編織復(fù)合材料彈道沖擊失效模式和能量吸收特征。Gu[20]在細(xì)觀尺度建立三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元模型，更精確計(jì)算得到復(fù)合材料彈道侵徹性能。Sun等[21]采用分離式霍普金森桿對(duì)四步法三維編織玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行高應(yīng)變率面內(nèi)和面外沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓縮模量和變形具有應(yīng)變率敏

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 潘忠祥;孫寶忠;;三維編織玄武巖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在溫度場(chǎng)下的高應(yīng)變率壓縮試驗(yàn)[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2015年02期

2 劉強(qiáng);馬小康;宗志堅(jiān);;斜紋機(jī)織碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能及其在電動(dòng)汽車輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2011年05期

3 李嘉祿;賀桂芳;陳光偉;;溫度對(duì)三維五向編織/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉伸性能的影響[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2010年06期

4 陳光偉;陳利;李嘉祿;周清;孫穎;;三維多向編織復(fù)合材料T型梁抗彎應(yīng)力分析[J];紡織學(xué)報(bào);2009年08期

5 徐靜怡,顧伯洪;編織復(fù)合材料彈道沖擊破壞形態(tài)及模式[J];彈道學(xué)報(bào);2002年02期

6 李嘉祿,閻建華,蕭麗華;紡織復(fù)合材料預(yù)制件的幾種織造技術(shù)[J];紡織學(xué)報(bào);1994年11期

本文編號(hào)：2834747