本文關(guān)鍵詞：三維編織復(fù)合材料沖擊剪切響應(yīng)及其失效機(jī)理研究

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【摘要】：三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)整體性和抗分層能力最強(qiáng)的三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,其力學(xué)性能優(yōu)異,具有比強(qiáng)度高、損傷容限高、耐沖擊等力學(xué)性能,在航空航天、工業(yè)和體育等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。本論文旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段和有限元分析方法深入研究三維編織復(fù)合材料沖擊剪切性能及其損傷機(jī)理,為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供重要依據(jù)。本論文主要研究工作：(1)采用MTS材料測(cè)試儀和分離式Hopkinson壓桿分別測(cè)試三維編織復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的沖擊剪切性能。通過(guò)對(duì)比三維編織復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)特征和破壞形態(tài)研究其損傷機(jī)制和能量吸收特征,包括編織角效應(yīng)和尺寸效應(yīng)。(2)根據(jù)三維編織復(fù)合材料真實(shí)結(jié)構(gòu)和幾何特征建立全尺寸細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元模型,計(jì)算三維編織復(fù)合材料沖擊剪切響應(yīng)和漸進(jìn)損傷過(guò)程。(3)結(jié)合顯微CT斷層掃描技術(shù)觀察三維編織復(fù)合材料在高應(yīng)變沖擊剪切載荷下的內(nèi)部破壞形態(tài)與分布特征,進(jìn)一步探究其失效機(jī)理和能量吸收機(jī)制,同時(shí)驗(yàn)證有限元模型的有效性。本論文主要結(jié)論：(1)三維編織復(fù)合材料沖擊剪切響應(yīng)具有顯著應(yīng)變率敏感性。在準(zhǔn)靜態(tài)加載下材料表現(xiàn)出彈塑性力學(xué)響應(yīng)特征,在高應(yīng)變率加載下材料發(fā)生硬化效應(yīng),塑性特征不明顯。三維編織復(fù)合材料在沖擊剪切載荷下破壞形態(tài)復(fù)雜,破壞程度隨應(yīng)變率增加而增加,主要破壞模式由樹(shù)脂碎裂轉(zhuǎn)變?yōu)榧喚�斷裂。(2)編織角和試件厚度對(duì)三維編織復(fù)合材料沖擊剪切性能影響顯著。編織角測(cè)試范圍為25°、35°和45°,試件厚度選取3 mm、5 mm和8mm。三維編織復(fù)合材料剪切失效應(yīng)力和模量隨編織角增加顯著增加,因?yàn)槿S編織預(yù)成型體結(jié)構(gòu)更加緊密,復(fù)合材料抗剪切能力增加。三維編織復(fù)合材料沖擊剪切性能隨試件厚度增加而增加,復(fù)合材料試件厚度越大,編織增強(qiáng)體中內(nèi)單胞紗線比例越高,抗剪切性能越好。此外,不同結(jié)構(gòu)參數(shù)三維編織復(fù)合材料沖擊剪切破壞形態(tài)差異也十分顯著。(3)通過(guò)有限元模擬,得到三維編織復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的沖擊剪切響應(yīng)及漸進(jìn)損傷過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)編織增強(qiáng)體中面單胞和角單胞紗線應(yīng)力較高,不可忽略,在剪切帶區(qū)域高度集中。三維編織復(fù)合材料最終失效由拉伸和壓縮作用綜合導(dǎo)致。編織結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時(shí),應(yīng)力波沿厚度方向傳播速度隨應(yīng)變率增加而加快,形成的剪切斷面越光滑。應(yīng)變率相同時(shí),應(yīng)力波沿厚度方向傳播阻力隨試件厚度增大而增大,隨編織角增大而減小,破壞主要集中于材料表面。35°編織角復(fù)合材料背面斷裂形態(tài)呈折線條帶狀分布,45°編織角復(fù)合材料背面斷裂形態(tài)呈三段直線式分布。在剪切沖擊載荷下,復(fù)合材料兩條剪切帶中間部位形成低應(yīng)力區(qū)域,隨加載時(shí)間增加逐漸弱化,其中25°編織角復(fù)合材料低應(yīng)力區(qū)域形狀近似圓形,35°和45°編織角復(fù)合材料低應(yīng)力區(qū)域呈交叉形狀分布。(4)通過(guò)顯微CT斷層掃描技術(shù)得到三維編織復(fù)合材料內(nèi)部破壞特征及損傷類型。對(duì)比斷層掃描圖像和有限元模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)二者吻合度較高。沖擊剪切載荷下,三維編織復(fù)合材料基本破壞形式為基體開(kāi)裂、界面脫粘、分層和纖維斷裂。當(dāng)應(yīng)變率為1500s-1時(shí),材料內(nèi)部破壞集中于中間厚度區(qū)域。隨應(yīng)變率增加,樹(shù)脂碎裂產(chǎn)生,纖維抽拔斷裂特征明顯。35°編織角三維編織復(fù)合材料只有材料表面發(fā)生樹(shù)脂開(kāi)裂,內(nèi)部幾乎無(wú)損傷。而脆性斷裂特征隨試件厚度減小變得更加顯著,內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重分層現(xiàn)象。(5)結(jié)合有限元模型和斷層掃描結(jié)果,深入分析三維編織復(fù)合材料沖擊剪切過(guò)程中能量吸收特征和吸收機(jī)制。三維編織復(fù)合材料能量吸收能力依賴于其破壞進(jìn)程及其損傷機(jī)理,吸收能量隨材料破壞程度加劇而增加,主要為損傷動(dòng)能和塑性應(yīng)變能的積累。根據(jù)三維編織復(fù)合材料破壞進(jìn)程將能量吸收歷程分為三個(gè)階段：線性吸能階段、第一塑性吸能階段(達(dá)到失效應(yīng)力前)和第二塑性吸能階段(達(dá)到失效應(yīng)力后)。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB33

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 汪星明;邢譽(yù)峰;;三維編織復(fù)合材料研究進(jìn)展[J];航空學(xué)報(bào);2010年05期

2 陳利;劉景艷;馬振杰;梁子青;李嘉祿;;三維多向編織復(fù)合材料壓縮性能的試驗(yàn)研究[J];固體火箭技術(shù);2006年01期

3 陳利,陶肖明,蔡忠龍;A STRUCTURAL ANALYSIS OF THREE-DIMENSIONAL BRAIDS[J];Journal of China Textile University(English Edition);1997年03期

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本文編號(hào)：1270408