機(jī)織針織混編結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊拉伸性能與破壞機(jī)理.pdf

1、機(jī)織針織混編結(jié)構(gòu)(Co-Woven-Knitted,以下簡(jiǎn)稱為CWK)織物是將機(jī)織物中經(jīng)紗與緯紗在編織過(guò)程中分別同時(shí)插入到緯編針織物中形成特殊的機(jī)織與針織共存結(jié)構(gòu),其兼具機(jī)織物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與針織物的適型性。插入經(jīng)紗與緯紗既可以準(zhǔn)確控制針織復(fù)合材料的各向異性程度,還可以提高纖維體積含量,增大織物拉伸強(qiáng)度、剛度與能量吸收性能。該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有較大優(yōu)勢(shì),本文基于該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的混編優(yōu)點(diǎn),著重研究機(jī)織針織混編結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)

2、稱CWK復(fù)合材料)沖擊抗拉伸性能與破壞機(jī)理。主要內(nèi)容包括CWK復(fù)合材料沖擊拉伸性能、復(fù)合材料破壞過(guò)程有限元模擬、沖擊拉伸失效機(jī)理的頻域分析。
　　(1)在MTS (Materials Testing System)材料測(cè)試系統(tǒng)與分離式霍布金森拉桿裝置(Hopkinson Tension Hopkinson,以下簡(jiǎn)稱SHTB)上分別測(cè)試CWK復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)(0.001/s)與高應(yīng)變率條件下(最高達(dá)2586/s)的拉伸性能,分析拉伸

3、剛度、斷裂強(qiáng)度、失效應(yīng)變、能量吸收與破壞模式的應(yīng)變率效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CWK復(fù)合材料具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。拉伸強(qiáng)度、失效應(yīng)變、能量吸收和能量回復(fù)都具有應(yīng)變率敏感性。拉伸強(qiáng)度、能量吸收和能量回復(fù)隨應(yīng)變率增加而顯著增加。CWK復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)率下破壞模式為纖維斷裂和和基體剪切破壞,在高應(yīng)變率下為纖維抽拔失效。
　　(2)根據(jù)CWK復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu),構(gòu)建CWK復(fù)合材料的單胞模型并推導(dǎo)剛度矩陣,運(yùn)用FORTRAN語(yǔ)言編寫材料屬性用戶自定義子

4、程序(Vectorized User-defined Materials Subroutine,簡(jiǎn)稱VUMAT),結(jié)合商用有限元軟件ABAQUS/Explicit數(shù)值模擬計(jì)算CWK復(fù)合材料在高應(yīng)變率下的沖擊拉伸性能破壞過(guò)程與破壞形態(tài)。研究表明所建立的單胞模型可以精確計(jì)算CWK復(fù)合材料沖擊拉伸性質(zhì),并可以推廣至CWK復(fù)合材料工程結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)設(shè)計(jì)。
　　(3)將CWK復(fù)合材料在各應(yīng)變率下拉伸應(yīng)力-時(shí)間信號(hào)與應(yīng)變-時(shí)間信號(hào)用快速傅里葉變

5、換研究在不同拉伸應(yīng)變率下的幅值特征、相位特征與能量吸收特征,結(jié)果表明復(fù)合材料在沖擊拉伸下對(duì)應(yīng)變率敏感,在準(zhǔn)靜態(tài)下振幅與能量分布接近于零附近頻域,高應(yīng)變率下振幅與能量分布于較高頻域。結(jié)論表明CWK復(fù)合材料在高頻域區(qū)具有較好的能量吸收性能,復(fù)合材料在高頻率下具有優(yōu)異的抗沖擊性能。
　　(4)用Hilbert-Huang變換將CWK復(fù)合材料在各應(yīng)變率下應(yīng)力-時(shí)間信號(hào)與應(yīng)變-時(shí)間信號(hào)在頻域內(nèi)研究復(fù)合材料的沖擊拉伸性能。應(yīng)力-時(shí)間信號(hào)用Hi

6、lbert-Huang變換方法分解成固有模態(tài)函數(shù)獲得頻率時(shí)間譜,在時(shí)間域和頻率域觀察沖擊拉伸整個(gè)破壞過(guò)程。頻率分布說(shuō)明不同頻率范圍對(duì)應(yīng)一定破壞模式。復(fù)合材料在沖擊拉伸時(shí),纖維斷裂、纖維抽拔、樹(shù)脂裂縫和樹(shù)脂剪切破壞等失效模式對(duì)應(yīng)著特定的頻率范圍。
　　(5)用系統(tǒng)函數(shù)在頻域內(nèi)研究CWK復(fù)合材料沖擊拉伸特征。復(fù)合材料分別作為連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng),應(yīng)變-時(shí)間信號(hào)作為輸入和應(yīng)力-時(shí)間信號(hào)作為輸出,得到兩種系統(tǒng)下的系統(tǒng)函數(shù)、振幅響應(yīng)、相位響應(yīng)