三維機(jī)織復(fù)合材料損傷演化與失效行為研究.pdf

1、作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，三維機(jī)織復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑工程和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。三維機(jī)織復(fù)合材料在面內(nèi)和厚度方向都有纖維束分布，三維機(jī)織復(fù)合材料的纖維束構(gòu)成了空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得其具有較強(qiáng)的厚度方向力學(xué)性能、良好的沖擊損傷阻抗以及良好的整體性。這些優(yōu)點(diǎn)使得其在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域使用量在不斷增加。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得三維機(jī)織復(fù)合材料具有多種相互影響的破壞失效模式。為了對(duì)其力學(xué)性能有充分了解和認(rèn)識(shí)，本文將采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真模型研究其在不同載

2、荷下的損傷演化和失效過程，并最終提出研究三維機(jī)織復(fù)合材料失效行為的研究方法。
　　首先，介紹了本論文課題的研究目的和意義。重點(diǎn)回顧了準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊載荷作用下的三維機(jī)織復(fù)合材料的研究進(jìn)展——準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下的實(shí)驗(yàn)研究、等效剛度和強(qiáng)度分析模型、損傷演化數(shù)值研究方法以及纖維束彎曲波動(dòng)研究；沖擊載荷作用下三維機(jī)織復(fù)合材料失效行為的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值研究。
　　其次，開展了準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的三維機(jī)織復(fù)合材料拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)。測(cè)試三維機(jī)織復(fù)合材料的

3、剛度和強(qiáng)度性能，觀察試件斷口宏觀和細(xì)觀形貌，確定其失效模式和破壞機(jī)理。并針對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料抗沖擊性能開展了彈道沖擊實(shí)驗(yàn)，研究了三維機(jī)織復(fù)合材料的沖擊破壞機(jī)理。
　　在實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，建立了一種應(yīng)用于三維機(jī)織復(fù)合材料的漸進(jìn)損傷模型。該模型在細(xì)觀尺度上考慮了纖維束內(nèi)纖維斷裂和纖維間開裂，以及基體斷裂，給出了表征纖維束和基體損傷程度的損傷因子，繼而基于Puck準(zhǔn)則和拋物線屈服準(zhǔn)則分別提出了纖維束和基體的損傷觸發(fā)和演化準(zhǔn)則。其中，采用

4、指數(shù)演化模型和輔助模型作為損傷演化模型。然后，根據(jù)三維機(jī)織復(fù)合材料的實(shí)際尺寸提取了代表性體積單胞，以及其子單胞——內(nèi)單胞和面單胞?；谶@兩種子單胞，分別預(yù)測(cè)了單軸拉伸和壓縮載荷下的剛度和強(qiáng)度性能，分析研究了三維機(jī)織復(fù)合材料的損傷演化和破壞失效過程。
　　針對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料中的纖維束彎曲波動(dòng)問題，提出了纖維束隨機(jī)正弦波動(dòng)模型。該模型中分別應(yīng)用梁?jiǎn)卧腕w單元表征纖維束和基體。根據(jù)實(shí)際材料中纖維束發(fā)生彎曲波動(dòng)時(shí)的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，假設(shè)纖維

5、束每一段彎曲波動(dòng)的軌跡是正弦的，并提出以波動(dòng)幅值和半波長(zhǎng)作為隨機(jī)變量，建立了三維機(jī)織復(fù)合材料的隨機(jī)正弦波動(dòng)模型。研究了三維機(jī)織復(fù)合材料在拉伸和壓縮載荷下的剛度和強(qiáng)度性能，以及纖維束彎曲波動(dòng)程度對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料整體力學(xué)性能的影響。
　　最后，提出了彈道沖擊漸進(jìn)損傷模型，考慮了應(yīng)變率對(duì)纖維束和基體剛度和強(qiáng)度的影響。應(yīng)用非均勻有限元方法，建立了三維機(jī)織復(fù)合材料靶板宏觀有限元模型，在計(jì)算過程中考慮到了細(xì)觀的纖維束和基體。計(jì)算模擬了三維機(jī)