三维编织复合材料横向冲击变形和损伤细观结构机理

摘要

三维编织复合材料由于编织物结构整体性和编织纱线空间分布的可设计性，可以制备具有异型截面耐冲击工程结构件。三维编织复合材料已被广泛应用于飞行器和高速车辆等抗冲击领域。如何建立编织复合材料细观结构、组分材料性质与抗冲击性质之间的联系是三维编织复合材料实际应用面临的重要问题，将直接影响到工程结构的优化设计。本文主要研究三维编织复合材料横向冲击变形和损伤特征与复合材料细观结构关系。结合有限元方法揭示横向冲击变形过程和失效机制。 主要研究工作如下： (1)采用改进分离式霍普金森压杆(SHPB)装置，测试三维编织复合材料横向冲击性能，分析冲击气压、编织角和轴纱对三维编织复合材料横向冲击力学性能的影响。 (2)利用高速摄影记录冲击变形和损伤扩展，观测三维编织复合材料横向冲击变形过程和损伤演化。 (3)建立三维编织复合材料单胞结构模型，用有限元计算横向冲击变形过程并与实验观测作比较，分析冲击损伤机理。 主要研究结论如下： (1)多次横向冲击：应力波在输入杆中多次入射和反射过程导致多次横向冲击现象产生，取前3次横向冲击过程发现载荷峰值逐渐减小，复合材料变形和损伤耗散冲击能量，导致峰值逐渐降低的冲击载荷-位移曲线产生。 (2)比较三维四向和五向编织复合材料，发现加轴纱后复合材料刚度和强度增加，抵抗横向冲击变形能力提高，结构完整性较好，破坏模式主要是基体脆裂和界面脱黏。比较不同编织角复合材料发现编织角增加显著影响失效模式：小编织角试件破坏模式主要为纤维束剪切断裂，呈现一定的脆性特征；大编织角试件破坏模式为纤维束横向断裂，呈现一定韧性特征。 (3)基于三维编织复合材料单胞模型有限元计算表明，编织复合材料编织角和纤维空间取向分布是影响横向冲击性质的主要因素，加入轴纱和改变编织角显著改变横向冲击性质。

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