三维编织复合材料冲击加载破坏裂纹演化过程

摘要

三维编织复合材料作为飞行器和高速车辆设计常用的工程结构材料，经常承受冲击加载，在冲击加载下破坏形态是表征抗冲击性能重要内容。破坏裂纹生成和扩展是破坏形态研究重要形式之一。本文主要研究三维编织复合材料冲击加载后裂纹分布和扩展特征与复合材料细观结构及冲击加载条件的关系，结合有限元方法揭示裂纹产生机制。 主要研究工作： （1）用真空辅助树脂转移模塑法制备三维四向和三维五向编织复合材料。在分离式Hopkinson压杆装置上测试500~800s-1应变率范围内压缩性能，获得不同加载应变率时的应力-应变曲线，分析三维四向和三维五向编织复合材料动态压缩力学性能。 （2）用高速摄影记录三维四向和三维五向编织复合材料冲击加载动态变形过程，借助光学显微镜观测冲击加载后截面裂纹分布状态，分析编织结构和加载条件对截面裂纹分布以及扩展影响。 （3）构建三维四向和三维五向编织复合材料全尺寸细观结构有限元几何模型，数值计算三维编织复合材料冲击加载损伤，对比测试结果，揭示裂纹产生机理。 本文主要结论： （1）冲击压缩应力-应变曲线：三维四向编织复合材料压缩应力-应变曲线在初始阶段呈线性，后转为非线性，直至应力波卸载。应变率增大，压缩模量、最大应力以及最大应变均随之增大。三维五向编织复合材料曲线在初始阶段呈双线性，后转为非线性，直至应力波卸载。应变率越大，最大应力以及最大应变越大，但压缩模量无明显改变。 （2）动态变形过程：三维四向编织复合材料主要发生压缩变形，60μs 开始产生裂纹，随加载进行截面裂纹数量迅速增多，裂纹长度逐渐增加直至等于纱线截面边长；三维五向编织复合材料主要发生压剪变形，80μs开始产生裂纹，随加载进行在纱线和树脂沿45°方向发生错位滑移，表现为剪切变形，剪切损伤和裂纹数量逐渐增大，并逐渐形成剪切带。 （3）裂纹分布：编织结构和应变率对三维编织复合材料裂纹分布影响显著。应变率越大，三维四向编织复合材料纤维和树脂界面开裂越严重，裂纹分布更趋均匀化，开裂形式及裂纹长度无明显变化。三维五向编织复合材料裂纹数量和剪切带范围均增大。 （4）数值计算结果：三维四向和三维五向编织复合材料在高速冲击加载下纱线和树脂变形不相同，即树脂应变远远大于纱线应变，导致界面开裂。三维四向编织复合材料编织纱弯曲变形和应力小于三维五向。三维五向编织复合材料由于存在轴纱，轴向刚度和强度增加，编织纱更易向无轴纱方向弯曲，产生剪切变形。

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