作為一種典型的新型復(fù)合材料,三維機織復(fù)合材料由于其良好的整體性、沿厚度方向出色的力學(xué)性能以及較強的抗沖擊性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天器、民用建筑、體育裝備、醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域。然而,三維機織復(fù)合材料的非均勻性、各向異性以及內(nèi)部存在的裂紋、空隙等,使得這種材料的損傷演化規(guī)律十分復(fù)雜,對其力學(xué)性能及漸進損傷機理的研究成為一個巨大挑戰(zhàn)。為了對三維機織復(fù)合材料的力學(xué)性能及漸進損傷機理有充分了解和認識,本文采用實驗和數(shù)值模擬方法,對三維機織復(fù)合材料的拉伸和剪切剛度、強度以及漸進損傷過程與失效機理進行了研究,并提出了研究三維機織復(fù)合材料拉伸和剪切失效行為的方法。首先,詳細介紹并分析了三維機織復(fù)合材料的國內(nèi)外研究進展,就三維機織復(fù)合材料的細觀幾何結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)靜態(tài)實驗和漸進損傷失效模型等方面展開綜述。重點回顧了三維機織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸、沿±45°纖維方向拉伸和剪切載荷下剛度、強度性能的實驗和數(shù)值仿真研究進展。明確了本論文的研究目的與意義。其次,開展了三維機織復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸和沿±45°纖維方向拉伸實驗研究。采用三維數(shù)字圖像(3D DIC)技術(shù)測試了三維機織復(fù)合材料的剛度、強度性能,記錄了材料的力學(xué)響應(yīng)及破壞過程。通過高速相機和光學(xué)顯微鏡觀測了試件斷裂過程與失效后的宏細觀斷口形貌,詳細分析并確定了三維機織復(fù)合材料在單軸拉伸和沿±45°纖維方向拉伸載荷下的失效模式和破壞機理。同時,提出了一種針對三維機織復(fù)合材料剪切性能的試驗方法,開展了三維機織復(fù)合材料的靜態(tài)剪切實驗研究。分別采用V型缺口梁剪切實驗方法和短梁剪切實驗方法,研究了三維機織復(fù)合材料在面內(nèi)和層間剪切載荷下剛度、強度性能,獲取了三維機織復(fù)合材料的非線性力學(xué)響應(yīng)及破壞過程。通過觀測試件失效后的宏細觀斷口形貌,重點分析并確定了三維機織復(fù)合材料在剪切載荷下的失效模式和破壞機理。并根據(jù)實驗需要設(shè)計出了針對三維機織復(fù)合材料不同厚度的V型缺口梁試件的剪切實驗卡具。根據(jù)三維機織復(fù)合材料細觀結(jié)構(gòu)確定了接近真實結(jié)構(gòu)的細觀單胞模型。在實驗分析基礎(chǔ)上,結(jié)合多相有限元法,建立了一種適用于三維機織復(fù)合材料的單軸拉伸漸進失效模型。該模型采用改進的Puck準(zhǔn)則和拋物面準(zhǔn)則,在纖維束和基體的細觀尺度上考慮了纖維束的斷裂、纖維束內(nèi)的纖維間開裂以及基體斷裂。應(yīng)用ABAQUS軟件平臺結(jié)合多相有限元法編寫了VUMAT材料用戶子程序,預(yù)報了三維機織復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸載荷下的剛度、強度性能,以及該材料的單軸拉伸漸進損傷和失效過程,并將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測試結(jié)果進行了對比。最后,針對三維機織復(fù)合材料在剪切載荷下出現(xiàn)的大變形問題,提出了一種適用于三維機織復(fù)合材料的剪切非線性漸進失效模型。該模型充分考慮了引起材料剪切非線性的原因,認為設(shè)在剪切載荷作用下,纖維束在產(chǎn)生應(yīng)變的同時也發(fā)生了剛體轉(zhuǎn)動,纖維束的局部坐標(biāo)系會隨著纖維束的偏轉(zhuǎn)而實時變化。因此,在纖維束損傷模型中考慮Green-Naghdi客觀率并引入隨體坐標(biāo)系來“扣除”剛體轉(zhuǎn)動的影響。該模型在單軸拉伸漸進損傷模型的基礎(chǔ)上,引入最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則作為纖維束和基體的剪切失效判據(jù)。基于多相有限元法,建立了沿±45°纖維方向拉伸、V型缺口梁剪切和短梁剪切有限元模型。預(yù)測出了三維機織復(fù)合材料宏觀尺度下沿±45°纖維方向拉伸和剪切載荷下的剛度、強度性能,以及該材料的剪切非線性行為及漸進失效過程。將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測試結(jié)果進行了對比分析,發(fā)現(xiàn)結(jié)果吻合良好。本文提出的剪切非線性漸進失效模型能夠有效預(yù)報三維機織復(fù)合材料的剪切非線性漸進損傷規(guī)律。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文纖維和厚度方向纖維的三維機織材料上才得以有較大的發(fā)展三維復(fù)合材料，三維機織復(fù)合材料以三維機織結(jié)構(gòu)（機織預(yù)，如圖 1-1 所示，在一定的條件下通過特定的復(fù)合工藝固化維機織復(fù)合材料主要采用機織和編織或者半編織半機織的不同方向的紗線之間相互纏繞導(dǎo)致互鎖，厚度方向（即 Z 向定的角度與經(jīng)、緯紗線交織起來。這樣就使得三維機織復(fù)合體性、可設(shè)計性和更強的剪切性能。與傳統(tǒng)的層合板材料相材料具有優(yōu)異的層間性能、良好的抗沖擊性和抗彎曲疲勞性

微小裂紋形成于纖維束和沿厚度方向的縫經(jīng)紗之間的富脂區(qū)域，隨著應(yīng)力增大，部分纖維束硬化并出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致材料的彈性模量降低了 20-30%。并觀測出了三維機織復(fù)合材料拉伸破壞時纖維束互鎖和拔出現(xiàn)象，如圖1-2 所示。

圖 1-3 V 型缺口梁剪切實驗法示意圖[33]：（a）卡具，（b）試件Fig. 1-3 Schematic of V-notched beam test method[33]; (a) fixture, (b) coupon圖 1-4 沿±45°拉伸試驗件Fig. 1-4 Schematic of ±45° degree tensile coupon
【參考文獻】

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本文編號：2888466