三维编织复合材料圆管轴向冲击压缩破坏细观结构和温度效应

摘要

三维编织复合材料因其厚度方向具有更高强度、刚度、断裂韧性、冲击损伤容限，具有抗分层、耐疲劳、净型性和良好的结构整体性等优点，已被广泛应用于航空航天、汽车和船舶等工程领域。本文采用实验和细观结构有限元模拟方法，研究三维编织复合材料圆管在准静态和高应变率轴向压缩条件下破坏机理，探索编织结构参数及低温度场对三维编织复合材料圆管轴向冲击压缩行为的影响。
　　本论文主要研究内容：
　　(1)采用四步法1x1编织技术编织不同结构参数三维圆形管状碳纤维预成型体：试件编织角为25°、35°和45°，编织层数为2层、3层和4层，编织结构为三维四向和五向。
　　(2)常温和低温度场下分别测试不同结构参数三维四向和五向编织复合材料圆管准静态和高应变率下轴向冲击压缩行为。准静态压缩实验中压缩速度为2mm/min，应变率约为0.001/s;高应变率压缩实验中，应变率控制在416/s~936/s;环境温度为-100℃~23℃。提取压缩测试结果，包括应力-应变曲线、压缩强度、压缩刚度、比能量吸收、宏观破坏形态，利用计算机断层扫描成像(CT)测试系统及电子扫描显微镜(SEM)观察材料内部破坏形态。
　　(3)常温下六种不同类型的三维四向和三维五向编织复合材料圆管细观结构有限元分析基于增强体编织物基本结构参数，将三维编织复合材料圆管细观结构几何模型和材料属性相结合，计算复合材料圆管准静态和冲击压缩破坏过程，得到复合材料应力-应变曲线和最终破坏形态。
　　(4)基于常温下建立的三维编织复合材料圆管细观结构几何模型，通过实验和推导确定应变率相关、温度依赖材料模型，进行低温度场冲击加载下复合材料圆管细观结构热力耦合有限元计算。通过增强体和树脂上特殊节点温升-时间曲线、材料冲击压缩变形、渐进破坏过程及材料最终破坏形态应力分布及温分布云纹图来揭示复合材料圆管低温度场下冲击压缩热力耦合破坏过程及机理。
　　通过上述研究发现：
　　(1)常温下不同结构参数三维四向和五向编织复合材料圆管应力-应变曲线均具有应变率敏感性；每种编织复合材料圆管压缩强度、刚度和比能量吸收均随着应变率增加而增大，具有明显应变率依赖性；在准静态和冲击压缩加载下，应力-应变曲线均表现弹塑性特征；编织角和编织层数均明显影响编织复合材料圆管在不同应变率下的压缩性能；三维五向编织复合材料圆管比三维四向编织复合材料圆管具有更高的轴向压缩性能和抗冲击损伤容限；破坏模式可以分为：剪切破坏、纤维抽拔、纤维断裂、树脂开裂、压缩变形、屈曲破坏、粉碎破坏。低温度场下，三维编织复合材料圆管的轴向压缩性质优于常温条件，压缩刚度、强度和比能量吸收对应变率敏感性大于对温度敏感性；低温、高应变率下材料呈现脆性特征，材料压缩破坏形态包括树脂开裂、纤维抽拔和断裂、试样整体屈曲变形、树脂和纤维束界面脱粘等。
　　(2)对比准静态和动态有限元模型计算结果与实验结果，两者具有较好一致性，表明该有限元细观结构模型能够对三维编织复合材料圆管的准静态和冲击压缩基本力学性能进行准确模拟。该有限元细观结构模型可以深入揭示三维编织复合材料圆管冲击压缩失效机理，从冲击压缩过程、应力分布、破坏模式等方面对材料进行动态力学分析。详细研究了应变率、编织角、编织层数和轴纱对三维编织复合材料圆管冲击压缩性能及破坏模式的影响。通过提取细观结构模型分析结果，分别得到三维编织复合材料圆管增强体和树脂在冲击压缩过程中应力分布，再现冲击压缩加载下纤维束和树脂受力变形过程、纤维断裂、树脂基体开裂及两者相互作用状态，分析增强体和基体在冲击压缩过程中承受载荷差异。提取三维五向编织复合材料圆管编织纱、轴纱及树脂上不同位置特殊节点应力-时间曲线，分析应力波在编织纱、轴纱和树脂上传播差异。结果表明，应力波在轴纱上传播速度大于编织纱，树脂上应力波的传播是均匀的，轴纱的应力高于编织纱，而树脂应力远低于所有纱线。这些实验中未测到的中间数据可以进一步揭示三维五向编织复合材料圆管不同于三维四向编织复合材料圆管的冲击压缩破坏机理。
　　(3)低温条件下，由于冲击压缩过程中编织增强结构的压缩变形对树脂有挤压作用，有限元模型计算过程中应力集中最先出现在编织纱线屈曲处并导致树脂非弹性热的产生。由于表面编织纱线取向影响，试件冲击受载面温升云图呈散点状，中部呈“锯齿”状剪切带。编织纱线的温升大于树脂且变化速度快于树脂。
　　上述研究结果对高速加载下抗冲击结构件设计有指导价值，编织复合材料圆管在冲击加载下应变率效应和结构效应明显，通过有效表征细观结构尺度力学性质和动态响应可以对复合材料抗冲击设计提供理论指导。同时低温条件下热力耦合响应及破坏机理研究为该复合材料在航天航空领域应用提供参考。

目录

声明

第一章绪论

1.1引言

1.3三维编织复合材料管件力学性能结构效应研究现状

1.4三维编织复合材料力学性能温度效应研究现状

1.5研究目标与内容

1.6研究创新性

第二章三维四布法编织复合材料圆管制备

2.1材料规格参数

2.2三维四步法编织复合材料圆管制备

2.3温度对基体材料力学响应影响

2.4本章小结

第三章三维编织复合材料圆管常温下轴向压缩响应

3.1常温轴向压缩性能测试

3.2冲击压缩实验信号特征

3.3三维四向编织复合材料圆管应力应变响应特征

3.4三维五向编织复合材料圆管应力应变响应特征

3.5本章小结

第四章三维编织复合材料圆管低温度场轴向压缩响应

4.1低温、准静态、高应变实验装置及原理

4.2低温、高应变率实验信号特征

4.4低温、高应变率应力应变响应

4.5轴向压缩响应的应变率效应和温度效应

4.6压缩破坏模式

4.7本章小结

第五章三维编织复合材料圆管压缩细观结构有限元模型

5.1三维编织复合材料圆管细观结构材料模型

5.2三维编织复合材料圆管细观结构几何模型

5.3三维编织复合材料圆管压缩破坏有限元模型

5.4压缩破坏准则

5.5本章小结

第六章三维编织复合材料圆管常温准静态和冲击压缩失效机理数值分析及验证

6.1准静态轴向压缩历程数值模拟

6.2轴向冲击压缩历程数值模拟

6.3有限元结果验证

6.4本章小结

第七章三维编织复合材料圆管低温度场冲击压缩热力耦合失效机理数值分析及验证

7.1应力-应变曲线

7.2-50oC、-100oC热力耦合有限元分析

7.3热力耦合破坏

7.4本章小结

第八章全文结论及展望

8.1主要结论

8.2研究展望

参考文献

攻读博士期间发表学术论文

致谢