三維正交機織復合材料準靜態(tài)-低周疲勞多尺度力學響應與損傷分析.pdf

1、與傳統(tǒng)層合板復合材料相比，三維正交機織物復合材料具有有效層間分層阻抗、顯著斷裂韌性、較高面內強度和損傷容限。在輕質飛行器、艦艇和高速車輛等領域具有較大應用潛力。本文旨在進行三維正交機織物復合材料準靜態(tài)/循環(huán)拉伸循環(huán)載荷下力學響應與損傷機理多尺度有限元分析。
　　 本文研究思路如下:(1)將三維正交玻璃纖維機織物和不飽和樹脂在室溫下采用VARTM成型技術加工成三維正交機織物復合材料;(2)依據纖維束（經紗、緯紗和Z紗）體系結構、纖

2、維等體積含量原則和周期性邊界條件，建立細觀/中觀/宏觀跨尺度幾何單胞模型;(3)以幾何單胞模型和其內纖維/基體性質為起點，用Fortran90語言編寫含有裂紋生成和損傷演化及交換準則多尺度用戶定義材料子程序（User-definedmaterialsubroutine，UMAT）;(4)將用戶定義子程序（UMAT）導入商用有限元軟件ABAQUS/Standard分別計算準靜態(tài)/循環(huán)拉-拉循環(huán)載荷力學響應和損傷演化;(5)對比分析預測和實

3、驗結果，二者比較吻合;此外，該多尺度材料破壞失效和循環(huán)加載行為預測子程序模型適應性和可靠性還需進一步試驗驗證，尤其是復合材料復雜異形構件多軸向/循環(huán)載荷加載。
　　 論文主要工作有:
　　 (1)準靜態(tài)拉伸和三點彎曲測試:測試其準靜態(tài)拉伸和三點彎曲性能，獲取其載荷-撓度曲線、最大強度、損傷和斷裂形貌等特征;初步分析準靜態(tài)拉伸和三點彎曲加載方式試樣力學響應特征和損傷失效機制;
　　 (2)循環(huán)拉伸疲勞測試:在應變控

4、制加載下，用MTS-810試驗機測定啞鈴形狀試樣循環(huán)拉伸疲勞力學響應和損傷演化過程。根據不同應變水平下一定周期載荷后局部損傷分布和特征分析試樣疲勞損傷機制;
　　 (3)多尺度幾何單胞模型:三維正交機織物復合材料面內呈周期性分布，依據其經緯紗密度、纖維束層數(shù)和Z向厚度等尺寸參數(shù)和纖維束交織結構形態(tài)，首先，建構含有樹脂基體纖維束層次中觀單胞幾何模型(Meso-RUC);其次，根據試驗試樣和多尺度單胞幾何模型中纖維等體積原則，建立僅

5、含有纖維和基體兩相組分細觀單胞幾何模型（Micro-RUC），其中單纖維在樹脂基體中呈正六邊形周期性分布;為充分研究三維正交機織物復合材料表面和內部區(qū)域內在結構差異，因其經緯紗系統(tǒng)在內部區(qū)域沿厚度方向周期性排列，分別提取內層單胞幾何模型(Innermeso-RUC)和表層單胞幾何模型(Surfacemeso-RUC)。最后，建立宏觀層次試樣模型(Macro-scalebeam)，宏觀尺度模型在有限元分割時其單元厚度分別對應于內層單胞與表

6、層單胞厚度尺寸，試樣和模型沿厚度方向經緯紗線層數(shù)相同。采用主-從節(jié)點技術將周期性邊界條件（Periodicboundaryconditions，PBCs）分別應用到細觀/中觀單胞幾何模型;
　　 (4)多尺度準靜態(tài)用戶定義子程序材料模型（UMATs）:根據多尺度幾何單胞及對應組分材料屬性，用Fortran90語言編寫含有彌散裂紋(Smearcrack)、損傷演化（Post-damageconstitutivemodel）和損傷球

7、面加載/卸載交換準則(Switchrule)多尺度彈性和粘彈性本構關系用戶定義子程序（UMAT）。在細觀結構模型中（僅含有纖維和樹脂基體），分別編寫最大主應力/應變彌散裂紋失效各向同性和非線性粘彈性本構關系用戶定義子程序(UMAT)，基于纖維/基體性質和細觀單胞(Micro-RUC)，在主節(jié)點獨立施加正應變/剪應變載荷，分析細觀單胞模型力學響應和損傷演化;在中觀結構模型中（Meso-RUC，僅含有浸潤基體纖維束（對應細觀結構模型）和純樹

8、脂（填充于纖維束之間）兩相組份），纖維束被定義為軸向和橫向最大強度彌散裂紋獨立失效（最大強度來自上一尺度單胞軸向和橫向強度值）橫觀各向同性材料模型，樹脂基體被定義為各向同性或非線性粘彈性最大主應變失效模型。最后，基于內層/表層單胞力學參數(shù)和失效強度，編寫基于正應力最大強度彌散裂紋獨立失效（表層/內層單元最大失效強度來自上一尺度單胞正向強度值）正交各向異性彈性本構關系子程序(UMAT)，預測長條試樣宏觀模型三點彎曲力學行為和損傷;

9、　　 (5)多尺度循環(huán)加載行為預測用戶定義子程序材料模型（UMAT）:根據上述多尺度準靜態(tài)用戶定義子程序材料模型，將表征加載/卸載條件轉換規(guī)則(Switchrule)導入粘彈性本構關系子程序;沿用上述多尺度單胞模型力學參數(shù)和失效強度傳遞機制:纖維/基體→細觀結構模型→中觀結構模型→宏觀結構模型。預測循環(huán)加載載荷下多尺度單胞力學行為和裂紋生成與損傷演化;
　　 (6)驗證上述多尺度單胞幾何模型和材料模型可行性和適應性:將上述多尺

10、度用戶定義子程序材料模型(UMATs)導入多尺度單胞幾何模型并在商用有限元軟件ABAQUS/Standard運行;模擬三維正交機織復合材料準靜態(tài)拉伸、準靜態(tài)彎曲和拉伸疲勞力學行為和裂紋損傷過程，其預測結果得到試驗結果驗證并進一步揭示試樣力學響應特征和損傷失效機理。
　　 本文多尺度有限元分析技術可擴展到其它復雜紡織結構復合材料力學響應、裂紋損傷和循環(huán)加載行為預測，并可進一步應用于輕質飛行器、高速車輛和防護裝備等復合材料結構件強度