三維多胞機織復(fù)合材料沖擊響應(yīng)和能量吸收特征.pdf

1、多胞結(jié)構(gòu)材料由于輕質(zhì)高強和在沖擊加載下的高能量吸收特點而被廣泛應(yīng)用在航空、汽車、艦船、運動器材等領(lǐng)域。該論文旨在表征三維多胞機織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)、沖擊響應(yīng)和在沖擊加載下破壞特征。
　　 以角連鎖織物為基礎(chǔ)組織制備三維多胞機織物和復(fù)合材料；利用改進型分離式Hopkinson壓桿裝置，測試三維多胞機織復(fù)合材料橫向沖擊響應(yīng)并考察其破壞特征；根據(jù)三維多胞機織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)，建立復(fù)合材料單胞模型和失效破壞準(zhǔn)則，采用FORTRAN語言編

2、寫基于彈塑性本構(gòu)關(guān)系、基體最大應(yīng)力準(zhǔn)則和纖維束臨界失效面積準(zhǔn)則的單胞模型用戶材料子程序VUMAT(FORTRAN VectorizedUser-Material)，結(jié)合商用有限元程序包ABAQUS/Explicit計算三維多胞機織復(fù)合材料在橫向沖擊下的力學(xué)響應(yīng)和吸能特征。結(jié)果表明三維多胞機織復(fù)合材料在沖擊加載下載荷位移曲線和沖擊失效模式的計算值和實驗值間存在較好的一致性，證明單胞模型、破壞準(zhǔn)則和用戶材料子程序VUMAT的準(zhǔn)確性，該方法可

3、以擴展到計算由三維多胞機織復(fù)合材料制造的其他工程結(jié)構(gòu)件沖擊響應(yīng)。
　　 論文主要工作是：
　　 1.論述和分析改進型Hopkinson單桿裝置原理和結(jié)構(gòu)；
　　 2.設(shè)計并織造以角連鎖形式為基礎(chǔ)組織的三維多胞機織物，該織物通過上下層織物接結(jié)形成多胞結(jié)構(gòu)，采用真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑技術(shù)VARTM(vacuumaided resin transfer molding)制造三維多胞機織復(fù)合材料，該材料具有多孔結(jié)構(gòu)，低面密

4、度，高抗彎剛度；
　　 3.采用MTS810.23材料試驗機和改進型Hopkinson壓桿裝置測試三維多胞機織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊下橫向加載的力學(xué)性質(zhì)，考察復(fù)合材料能量吸收特征和破壞模式。在準(zhǔn)靜態(tài)加載下，初階段復(fù)合材料試件變形緩慢，表現(xiàn)為材料整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)；當(dāng)試件承受載荷達最大值后，材料發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。多胞機織復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)橫向載荷下的力學(xué)性能與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，由于沿經(jīng)紗方向試件受載時局部發(fā)生比較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成承載能力降低。

5、沿緯紗方向是試件的主承力方向，試件呈現(xiàn)一種典型的破壞模式：材料受壓面為壓縮破壞，受拉面為拉伸破壞，破壞過程中未發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象；
　　 4.在橫向沖擊加載下多胞機織復(fù)合材料試件的極限載荷、能量吸收隨沖擊速度的增大而增大，且由于材料破壞的不同時性，導(dǎo)致載荷位移曲線的波動。緯向試件的極限載荷和能量吸收明顯大于經(jīng)向，這也是由于沿經(jīng)紗方向試件承受沖擊載荷時局部發(fā)生比較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成其承載能力降低。沿緯紗方向是試件的主承力方向。

6、r>　　 5.建立基于三維多胞機織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的單胞模型，單胞模型由經(jīng)紗、緯紗和基體三部分組成，通過三維塑性勢函數(shù)導(dǎo)出表達材料本構(gòu)關(guān)系的彈塑性柔度矩陣；用最大應(yīng)力破壞準(zhǔn)則和臨界失效面積破壞準(zhǔn)則判斷單胞中基體和纖維束的失效。
　　 6.采用FORTRAN語言編制基于單胞模型的彈塑性本構(gòu)關(guān)系、最大應(yīng)力準(zhǔn)則和臨界失效面積準(zhǔn)則的用戶材料子程序VUMAT。材料失效分析時，單胞中基體失效分析采用Octahedral剪切原理和最大應(yīng)力準(zhǔn)

7、則，紗線失效分析采用臨界失效面積準(zhǔn)則。該子程序與商用有限元程序包ABAQUS/Explicit結(jié)合，計算三維多胞機織復(fù)合材料的橫向沖擊響應(yīng)和能量吸收。計算得到的載荷-位移曲線及最終失效模式與實驗結(jié)果間有較好的一致性，證實單胞模型和用戶材料子程序的可行性。通過有限元模擬可得到復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)和破壞過程細(xì)節(jié)。
　　 因為建立的單胞模型和用戶材料子程序VUMAT是由三維多胞機織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，因此可擴展到由三維多胞機織復(fù)合