双轴向经编针织复合材料压缩性质应变率效应和失效机理

摘要

双轴向经编针织物(biaxial warp-knitted,简写为BWK)在经编地组织衬入伸直纱线，经编组织使衬入纱线形成稳定结构，沿纱线方向具有高拉伸刚度和强度。双轴向经编针织物可作为增强体用于风力发电、航空航天等领域。本课题以压缩试验为基础，建立细观结构简化模型，利用有限元方法研究双轴向经编针织复合材料压缩性能，分析破坏机理。
　　论文主要工作有：
　　(1) BWK复合材料冲击压缩试验：采用MTS-810材料测试系统和分离式霍普金森压杆完成BWK复合材料不同应变率范围内的冲击压缩试验，获取应力-应变曲线、破坏形态特征。试验结果表明：BWK复合材料对应变率敏感，最大应力和压缩刚度随应变率增大而增大，失效应变随应变率增大而减小；BWK复合材料厚度方向失效模式为剪切破坏，面内方向准静态时失效模式为剪切破坏，高应变率时材料主要是分层破坏。
　　(2) BWK复合材料细观结构模型的简化：经编纱的力学性质融进树脂内，简化为“等效树脂”。依据BWK的结构特点，确定等效树脂最小代表体积单元(RVE)，将RVE分割成一系列纤维体积含量相同的“亚单胞”，计算局部坐标系下“亚单胞”刚度矩阵，并转换成全局坐标系下“亚单胞”刚度矩阵，根据体积平均思想计算得到等效树脂的刚度矩阵，简化后BWK复合材料只包含等效树脂与经纬纱。在有限元软件ABAQUS中创建BWK复合材料细观结构简化模型。
　　(3)有限元计算结果分析：在商用有限元软件ABAQUS中模拟BWK复合材料准静态压缩和高应变率冲击压缩破坏过程。模拟结果与试验结果吻合较好，证明本文所建有限元细观结构简化模型在预测压缩性能方面有效。通过观察应力波在经纬纱和树脂中的传播，揭示复合材料破坏机理：BWK复合材料面外压缩失效模式为剪切破坏，产生两条与压缩轴成45°夹角的剪切带，切断与剪切带不在一个平面上的纤维束，树脂也沿着剪切带开裂。复合材料被分割成三部分发生滑移，导致较大塑性变形。面内方向上失效模式主要是分层破坏。应力由受压面向另一端面传递，纤维束间树脂首先发生碎裂，层间发生分离。主要由纤维束承受压缩载荷，纤维束发生屈曲变形使复合材料产生分层。

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第一章 综述

1.1引言

1.2轴向针织复合材料的研究现状

1.3三维纺织结构复合材料压缩应变率效应的研究现状

1.4本课题研究内容及研究思路

第二章 双轴向经编针织复合材料

2.1双轴向经编针织物结构及特点

2.2双轴向经编针织复合材料成型

2.3试样制备

第三章 双轴向经编针织复合材料的冲击压缩测试

3.1准静态压缩测试

3.2动态冲击压缩测试

3.3试验结果

3.4本章小结

第四章 双轴向经编针织复合材料的细观结构简化模型

4.1简化方法

4.2等效树脂的力学参数

第五章 有限元模拟

5.1细观结构几何模型

5.2 材料模型

5.3破坏准则

5.4数值计算

5.5数值计算结果

5.6破坏机理分析

5.7本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文

致谢