机织针织混编复合材料简化结构模型及冲击拉伸有限元模拟

摘要

机织针织混编(Co-Woven-Knitted，以下简称CWK)复合材料是一种由CWK织物增强树脂形成的新型三维纺织结构复合材料。CWK织物由经纬纱及针织纱组成，即将经纬纱在编织过程中同时插入纬编针织物形成特殊的机织针织共存结构，其具有机织物的结构稳定性与针织物的适型性。经纬纱可以准确控制复合材料的各向异性程度，提高纤维体积含量，增大织物拉伸强度、刚度以及能量吸收性能。本文基于CWK复合材料结构特点，着重建立简化结构模型研究CWK复合材料冲击抗拉伸性能与破坏机理。主要内容包括CWK复合材料冲击拉伸性能测试、简化结构模型建立、复合材料冲击拉伸过程有限元模拟。
　　 (1)在MTS(MaterialsTestingSystem)材料测试系统与分离式霍普金森拉杆（HopkinsonTensionHopkinson，以下简称SHTB）装置上分别进行准静态测试与动态冲击拉伸试验。通过测试，得出材料在冲击载荷下的应力-应变曲线，分析材料的拉伸刚度、断裂强度以及破坏形态。CWK复合材料在准静态拉伸条件下破坏模式为纤维断裂和基体剪切破坏，在高速冲击条件下为纤维抽拔失效。
　　 (2)运用有限元软件ABAQUS进行数值计算。由于CWK复合材料结构复杂，在同一模型中呈现经纬纱以及针织纱难度较大。与经纬纱相比，针织纱几何路径复杂，在纱线层面建立微观结构比较困难;针织纱线几何结构不规则，有限元划分网格数量较多，有限元计算时间过长且容易出错。为了便于有限元计算，将针织纱线简化到树脂中，形成简化模型计算CWK复合材料的冲击拉伸性能，即将针织纱力学性能强化到树脂中，形成针织复合材料且作为等效树脂，并计算等效树脂的刚度矩阵;将等效树脂与机织纱线作为机织复合材料，结合等效树脂和机织纱性能，模拟CWK复合材料冲击拉伸过程。
　　 (3)比较试验结果与模拟结果。试验应力-时间曲线与有限元计算应力-时间曲线具有较高的吻合性;有限元破坏形态与试验破坏形态相似，简化模型能很好地预测混编复合材料的冲击拉伸性能，对设计其他混编复合材料具有一定的应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 三维纺织结构复合材料概述

1．3 三维纺织结构复合材料力学性质结构模型

1．4 本文研究内容与目的

1．5 参考文献

第二章 机织针织混编复合材料冲击拉伸测试

2．1 机织针织混编织物

2．2 机织针织混编复合材料成型

2．3 冲击拉伸测试

2．3．1 试样制备

2．3．2 准静态拉伸测试

2．3．3 冲击拉伸测试

2．4 试验结果

2．4．1 CWK复合材料冲击拉伸应力-应变曲线

2．4．2 CWK复合材料冲击拉伸断裂形态

2．5 参考文献

第三章 机织针织混编复合材料简化结构模型

3．1 CWK复合材料细观结构模型的简化

3．1．1 简化原则

3．1．2 简化方法

3．2 等效树脂刚度矩阵

3．2．1 针织纱线和树脂体积含量

3．2．2 “亚单胞”刚度矩阵

3．2．3 等效树脂的刚度矩阵

3．3 CWK复合材料细观结构简化模型

3．4 参考文献

第四章 机织针织混编复合材料冲击拉伸有限元计算

4．1 有限元计算方案及过程

4．2 冲击拉伸系统有限元计算模型

4．3 破坏准则

4．3．1 输入输出杆

4．3．2 等效树脂

4．3．3 纱线

4．4 参考文献

第五章 冲击拉伸有限元计算结果与讨论

5．1 0°方向结果与讨论

5．2 45°方向结果与讨论

5．3 90°方向结果与讨论

第六章 结论与展望

6．1 本课题的研究结论

6．2 不足与展望

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文