几种高性能纤维的弯曲疲劳和有限元应用

摘要

柔性材料在使用过程中，不可避免地会受到外力的反复作用而发生疲劳破坏，导致材料性能逐渐失效。纤维材料在使用中，尤其是产业用时，会经常受到反复弯曲作用，其弯曲疲劳寿命影响了产品最后的使用性状，故对纤维材料的疲劳性能的研究是必要的。最早开始研究疲劳问题从金属材料开始，关于传统金属材料的弯曲疲劳已经有很多研究报道，但纺织纤维的弯曲疲劳研究起步较晚。越来越多的学者开始关注纤维的弯曲疲劳。国内外已经有滑轮弯曲疲劳仪、三点弯疲劳仪和钟摆式弯曲疲劳仪，这些弯曲疲劳仪都不是定点弯曲疲劳仪。考虑到这些仪器的不足，利用本课题组自行研制的柔性单纤维定点弯曲疲劳仪，可以实现柔性单纤维定点弯曲疲劳测试。
　　 实验研究中用LLY-06单纤维断裂测试仪测试了Kevlar49、Twaron2000、Nomex和Spectra2000四种高性能纤维的静态力学性能。通过自制的柔性单纤维定点弯曲疲劳仪对着四种高性能纤维进行定点弯曲疲劳测试。实验发现:(1)在相同情况下Kevlar49和Twaron2000的弯曲疲劳性能比较接近，Nomex纤维的弯曲疲劳性能最差，Spectra2000纤维的弯曲疲劳性能远远好于其他测试纤维。(2)在相同弯曲角度时，初始预加应力越大，纤维的疲劳寿命就越小;在相同的预加应力时，弯曲角度越大，纤维的疲劳寿命就越小。纤维的疲劳寿命的对数分别与纤维的预加应力和弯曲角度线性相关。(3)Kevlar49纤维弯曲疲劳破坏头端原纤劈裂严重，属于劈裂破坏，Twaron2000也发生劈裂破坏，Spectra2000纤维发生塑性破坏，Nomex主要发生撕裂破坏。
　　 实验记录了在不同参数下，高性能纤维的弯曲疲劳次数。通过ABAQUS软件对高性能纤维的静力问题进行分析，得到不同参数下，纤维所受到的最大应力，拟合得到纤维材料的疲劳寿命曲线(S-N曲线)。并通过疲劳分析软件FE-SAFE对纤维疲劳寿命进行预测，得到纤维材料在各种参数下的寿命。比较实验和有限元计算结果，发现两者在研究纤维材料弯曲疲劳寿命有很好的一致性。并对误差进行分析，发现纤维材料在应力比较大的时候，误差比较大。
　　 本文研究为纤维材料在长期应用中提供基本弯曲疲劳数据，所得实验结论和相应计算方法可以指导纤维材料在实际中的使用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 柔性材料弯曲疲劳理论

1．2 纤维弯曲性能研究的装置及表征

1．3 弯曲疲劳的计算软件

1．4 存在的问题与研究内容

第二章 仪器的功能原理和试样制备

2．1 定点弯曲疲劳仪的原理

2．2 弯曲疲劳仪的校准和基本操作步骤

2．3 定点弯曲疲劳仪的建模装配与运动分析

2．4 实验与试样

2．5 本章小结

第三章 四种高性能纤维的弯曲疲劳实验

3．1 拉伸试验

3．2 弯曲疲劳实验

3．3 纤维弯曲疲劳断裂形貌分析

3．4 本章小结

第四章 弯曲疲劳试验的常规数值模拟

4．1 有限元计算的软件及环境

4．2 数值模拟流程图

4．3 试样参数

4．4 仿真模型建立

4．5 静力学计算

4．6 FE-SAFE疲劳计算

4．7 计算结果及讨论

4．8 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

硕士期间发表论文及专利情况

致谢