機織復合材料力學性能預測的多尺度關聯(lián)方法.pdf

1、與傳統(tǒng)層合復合材料相比,機織復合材料不僅保持了輕質(zhì)高強的優(yōu)勢,更在改進層間層內(nèi)強度、結(jié)構(gòu)可設計性和制造成本等方面具有巨大的潛力,近年來,在航空航天、汽車、生物工程等領域得到了廣泛的應用。為了在結(jié)構(gòu)設計中充分發(fā)揮機織復合材料的優(yōu)勢,必須首先了解其力學性能。然而,機織復合材料的細觀結(jié)構(gòu)十分復雜,導致其力學性能的預測,尤其是強度預測,成為一項困難而又富有挑戰(zhàn)性的工作。常規(guī)的計算方法可以歸納為參數(shù)傳遞式方法,即對纖維單絲尺度、纖維束尺度、單胞尺

2、度依次進行分析。在每一級尺度下,都采用平均化的方法預測出材料的等效剛度和強度,并將計算結(jié)果輸出到下一級尺度。在宏觀載荷作用下,這類方法只能得到機織復合材料平均化的宏觀力學性能,而無法同步獲取纖維束尺度及纖維單絲尺度下的局部應力應變場,故無法揭示機織復合材料的失效機理及破壞過程。
　　本文提出了一種用于預測機織復合材料力學性能的新方法——多尺度關聯(lián)方法。與傳統(tǒng)的參數(shù)傳遞式方法不同,多尺度關聯(lián)方法基于連續(xù)介質(zhì)力學和均勻化理論,通過自下

3、向上均勻化方法和自上向下應力分解方法,構(gòu)建了各級尺度間的關聯(lián),實現(xiàn)多尺度同步分析。該方法充分考慮了影響機織復合材料力學性能的眾多因素,如組分材料屬性、纖維體積含量、纖維束交織方式、纖維束卷曲幅度、編織角度及制造誤差等。在計算過程中,只需給出纖維和基體的材料屬性及編織構(gòu)型,無需測定纖維束或機織復合材料單層板的力學性能,這有利于減少試驗量,為工程應用提供了極大方便。多尺度關聯(lián)方法首先采用自下向上剛度均勻化方法,逐級預測出纖維單絲尺度、纖維束

4、尺度、單胞尺度下材料的等效剛度矩陣。此后,基于連續(xù)介質(zhì)力學及均勻化理論,構(gòu)建了相鄰尺度間的多尺度應力關聯(lián)矩陣。在任意載荷作用下,可根據(jù)多尺度應力關聯(lián)矩陣將單胞所受載荷自上向下進行分解,從而同步獲取單胞尺度、纖維束尺度、纖維單絲尺度下的應力應變場。在失效分析時,充分考慮局部細觀組分的損傷狀態(tài),當局部纖維或基體滿足各自強度準則時認為該層纖維束中的該組分材料破壞,并對失效的組分材料進行相應的剛度折減。最后,由此計算得到機織復合材料的剛度、強度

5、、初始失效及破壞過程。
　　本文采用多尺度關聯(lián)方法對三軸編織、平紋機織、斜紋機織和緞紋機織復合材料的力學性能進行了計算,并進一步預測了機織復合材料層壓板的剛度與強度。通過試驗驗證可知,該多尺度關聯(lián)方法能夠準確分析出試驗過程中難以捕捉的失效機理和失效順序,所采用的剛度折減方法也與試驗結(jié)果吻合較好。對于難度較大的強度預報,本文雖然采用了最簡便的細觀失效準則,但仍然有著很高的計算精度,這充分驗證了多尺度關聯(lián)方法的正確性與可行性。同時,本