四步法三維編織復(fù)合材料彎曲疲勞性質(zhì)及損傷演化有限元分析.pdf

1、四步法三維編織物中，所有紗線在空間中相互交織形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有極高的外形結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì)可設(shè)計性，理論上可以織造出任意厚度、特殊截面甚至變截面異形件。該結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有近凈成形、整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗分層、抗剪切性能優(yōu)良等特點，在工程領(lǐng)域有極大應(yīng)用潛力。任何結(jié)構(gòu)件在使用過程中均會遭受疲勞損傷所造成的影響，為避免因疲勞破壞所產(chǎn)生的安全隱患，延長使用壽命，對四步法三維編織復(fù)合材料疲勞性能以及損傷演化的研究至關(guān)重要。本文在實驗測試的基礎(chǔ)上，通過單

2、胞和細觀兩種尺度對四步法三維編織復(fù)合材料三點彎疲勞循環(huán)加載下的力學性能、結(jié)構(gòu)效應(yīng)以及損傷機理進行有限元分析。
　　論文工作具體如下:
　　1.測試四步法三維編織復(fù)合材料準靜態(tài)三點彎曲強度、彎曲模量、載荷-撓度曲線以及損傷破壞性態(tài)，分析失效機理以及結(jié)構(gòu)效應(yīng)，并根據(jù)最大彎曲強度制定疲勞加載應(yīng)力水平。在準靜態(tài)實驗中發(fā)現(xiàn)四步法三維編織復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的抗彎剛性，破壞主要集中在整個材料的中部區(qū)域，主要為紗線與樹脂脫粘，纖維發(fā)生抽拔和

3、斷裂破壞，無分層現(xiàn)象。
　　2.在不同應(yīng)力水平條件下對四步法三維編織復(fù)合材料進行三點彎循環(huán)加載測試，根據(jù)載荷-撓度曲線和剛度退化曲線，分析漸進破壞過程所對應(yīng)的疲勞力學響應(yīng)與損傷機理。通過實驗發(fā)現(xiàn)疲勞壽命與應(yīng)力水平之間成反比關(guān)系，不同應(yīng)力水平條件下的載荷-撓度曲線和剛度退化曲線均會出現(xiàn)明顯的“三階段”形態(tài)。
　　3.在四步法編織工藝以及紗線空間形態(tài)基礎(chǔ)上，將四步法三維編織復(fù)合材料劃分出三個基本循環(huán)單元（內(nèi)單胞、面單胞和角單胞）

4、，根據(jù)試件紗線排列以及編織角分別計算出三個基本循環(huán)單元所占體積比、內(nèi)部纖維填充系數(shù)、紗線體積含量以及剛度矩陣，用于建立三單胞幾何模型以及材料模型。通過計算發(fā)現(xiàn)內(nèi)單胞所占體積比例很高，外層單胞在加載時會提供很大程度的抗彎性能。
　　4.利用三單胞模型對準靜態(tài)加載下四步法三維編織復(fù)合材料力學性能進行有限元分析，計算三種基本循環(huán)單元在彎曲載荷下的承載情況，分析準靜態(tài)加載下四步法三維編織復(fù)合材料的損傷機理。通過對比發(fā)現(xiàn)，三單胞模型的彎曲模

5、量與實驗結(jié)果更為接近，可以準確計算出四步法三維編織復(fù)合材料準靜態(tài)加載下的彎曲性能。
　　5.根據(jù)彎曲損傷剛度公式推導(dǎo)并建立四步法三維編織復(fù)合材料疲勞載荷下的剛度以及強度退化模型，利用Fortran語言將三單胞本構(gòu)關(guān)系、剛度退化模型、Hashin三維失效準則以及等壽命公式編寫入有限元用戶材料子程序UMAT，對四步法三維編織復(fù)合材料三種應(yīng)力水平（80％，70％和60％）下的疲勞性能進行有限元分析，預(yù)測三種應(yīng)力水平下的疲勞壽命，通過應(yīng)力

6、應(yīng)變集中區(qū)域以及損失破壞形態(tài)與擴展過程進一步探討“三階段”疲勞損傷機制。結(jié)果表明應(yīng)力集中區(qū)域主要位于整個平板中部以及受約束的下表面兩端區(qū)域，與應(yīng)力水平關(guān)系不大，整個加載過程應(yīng)力變化很小，但應(yīng)變變化很大，變化主要發(fā)生在疲勞加載的中后期，剛度降解與撓度變化呈現(xiàn)出“三階段”形式，說明材料失效模式與與加載周期密切相關(guān)。
　　6.分別建立小尺寸和全尺寸四步法三維編織復(fù)合材料細觀尺度模型，考慮紗線中樹脂浸潤情況重新計算紗線材料屬性并根據(jù)紗線方

7、向賦予到模型中。對小尺寸細觀模型用位移控制三點彎疲勞循環(huán)加載，分析四步法三維編織復(fù)合材料內(nèi)部紗線與樹脂承載情況、紗線與樹脂間界面脫粘以及兩者破壞形態(tài)，分析結(jié)構(gòu)效應(yīng)對疲勞性能的影響。從應(yīng)力分布云圖發(fā)現(xiàn)紗線與樹脂應(yīng)力集中區(qū)域接近，破壞主要發(fā)生在加載中部區(qū)域和支持輥所在的約束區(qū)域，兩種材料間界面裂紋主要由應(yīng)力差異所造成，裂紋擴展方向會受到紗線損傷情況的影響;
　　7.按照80％應(yīng)力水平加載條件對全尺寸細觀模型進行有限元分析，獲取整個材料

8、疲勞加載過程中能量轉(zhuǎn)化與應(yīng)力分布情況，對比實驗破壞形態(tài)，進一步揭示結(jié)構(gòu)效應(yīng)對整個復(fù)合材料力學性能退化的影響。研究發(fā)現(xiàn)四步法三維編織復(fù)合材料會形成特有的三角形應(yīng)力集中區(qū)，該區(qū)域形態(tài)與編織角，材料厚度以及紗線形態(tài)相關(guān)。受載方式不同與表面編織角也會造成整個材料破壞形態(tài)存在差異。
　　本文針對四步法三維編織復(fù)合材料的三點彎疲勞性能進行研究，通過單胞尺度模型對疲勞壽命進行有效預(yù)測，利用細觀尺度模型深入分析結(jié)構(gòu)效應(yīng)對材料退化的影響，并與實驗結(jié)