经编织物复合材料在双轴载荷下的力学行为研究

摘要

经编织物是欧美等国家针对低成本复合材料制造技术开发研制的一类增强纤维织物,可作为高纤维体积分数的预制体在树脂膜渗透技术(RFI)和树脂传递模塑(RTM)等复合材料成型技术中与基体相复合而成为高性能、低成本的一类复合材料。与传统机织织物不同,经编织物是将排列好角度的平直纤维用经编线束缚起来,保证了纤维无屈曲,因此采用经编织物预制体作为增强相的复合材料具有较好的面内性能,同时其兼备了传统复合材料轻质、耐腐蚀、高模、高强等优点而被广泛应用在航空航天、船舶游艇、风力发电等行业中。作为承力构件的新兴材料,经编织物增强复合材料的力学性能一直是国内外研究的热点。本文拟从经编织物复合材料的单轴和双轴实验入手,针对十字型双轴实验存在的难点,设计优化双轴拉伸和双轴拉压试样形状和尺寸,建立双轴载荷下材料弹性模量的获取方法,分析材料在单轴和双轴载荷下不同的刚度强度特征,结合MCT渐进损伤原理从细观层次对材料在单双轴载荷下的损伤机理进行预报和分析,为进一步认识经编织物复合材料在复杂载荷下的力学行为奠定基础。
　　考虑国内外尚无双轴实验标准,需要实验人员自行设计试件形状和实验方案。基于此,本文首先根据十字型试样的设计要求,结合有限元分析手段,开展对十字型双轴拉伸和双轴拉压试样形状和尺寸的优化设计。考虑到邻臂过渡形式、标距区过渡形式和四臂形状等对应力分布的影响,提出多种设计方案,确定试样的最终形状;以应力集中系数和应力离散系数作为优化目标,结合单变量极值法和多变量子问题优化算法确定试样的最优尺寸。为后续的双轴载荷实验奠定基础,提供依据。
　　针对双轴实验标距区材料模量和强度难以获取的问题,提出了一种模拟与实验相结合的方法确定材料的力学参数。此方法以试验件为准建立有限元模型和加载方式,拟合弹性模量和应变的关系,当模拟中的应变场和实验应变场相同时,模拟中材料的弹性模量即为试验件的弹性模量。基于上述试样的优化形式和力学参数的获取方法,开展[-45/0/45/90]2s经编织物复合材料的单轴实验和拉压双轴实验,其中双轴实验采取拉压比为1:1、2:1、3:1的加载比例。实验结果表明材料在拉压双轴载荷形式下呈现明显的拉压双模量特性。在拉压载荷比例为1:1和2:1的载荷比例下,压缩端材料首先失效,在3:1时,拉伸和压缩轴材料同时失效。结合断口形貌和应力状态确定了材料的破坏模式。
　　利用MCT理论建立的材料细观组分失效判定准则对经编织物复合材料在单轴和双轴载荷下的力学行为进行预报分析。对比损伤状态参数与应力-应变曲线,说明材料基体开裂使得刚度折减;纤维断裂导致材料的最终失效。结合MCT理论与MATLAB计算手段判断得出,在拉压载荷形式下,基体易发生拉压破坏,±45°层纤维发生拉剪/压剪破坏,90°层纤维发生屈曲压剪破坏,0°纤维发生拉伸破坏。结合ABAQUS有限元分析手段,给出模型渐进损伤过程的云图,预报了材料在不同载荷比例下的初始损伤强度和最终失效强度。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 双轴载荷实验试样优化设计

2.1 引言

2.2 试样优化目标

2.3 双轴拉伸试样设计与优化

2.4 双轴拉压试样设计与优化

2.5 本章小结

第3章 经编织物复合材料力学实验研究

3.1 引言

3.2 双轴实验标距区刚度与强度计算方法

3.3 单轴载荷力学实验

3.4 双轴载荷力学实验

3.5 力学行为比较与分析

3.6 本章小结

第4章 材料的渐进损伤分析

4.1 引言

4.2 MCT理论简介

4.3 MCT预报刚度与强度

4.4 MCT预报渐进损伤和失效机理

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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