三维编织复合材料三点弯曲疲劳单胞尺度有限元计算

摘要

三维编织复合材料是一种不需缝合和机械加工，具有良好性能的制件。这种结构比强度、比模量高，损伤容限和断裂韧性高，制件可一次成型复杂的零部件，并可与第三相复合形成力学性能优良的制品。三维编织复合材料耐冲击、不分层、抗开裂和抗疲劳。这些优点完全克服了传统纤维增强复合材料的缺点，因此，研究三维编织复合材料的弯曲疲劳性能具有重要意义。
　　 本课题根据三维编织复合材料的细观结构，构建单胞模型从单胞尺度研究其三点弯曲疲劳性能。单胞模型将三维编织复合材料简化为纱线和树脂两部分，并定义各部分刚度矩阵及其疲劳损伤。采用FORTRAN语言，编写基于单胞模型带有损伤的用户子程序UMAT(User-defined Material Subroutine)，结合商用有限元程序包ABAQUS从单胞尺度计算三维编织复合材料弯曲疲劳加载过程中挠度变化、刚度降解和材料损伤。结果表明，实验数据和有限元计算结果有很好一致性，证明单胞模型损伤准则和用户子程序UMAT的可行性。
　　 本课题主要工作:
　　 (1)设计并利用树脂传递模压成型技术织造三维编织复合材料;
　　 (2)利用MTS810材料测试系统进行复合材料疲劳实验，得到复合材料的挠度变化曲线，刚度降解曲线，并记录复合材料的疲劳破坏形态;
　　 (3)分析三维编织复合材料结构，基于单胞模型构建用户子程序UMAT并利用有限元软件ABAQUS建立材料模型调用UMAT进行模拟计算。对比实验和有限元结果，发现两者在计算复合材料挠度变化、刚度降解和材料损伤形态上有很好的一致性。

目录

声明

摘要

第一章 综述

1．1 引言

1．2 三维编织复合材料研究历史和现状

1．3 三维纺织结构复合材料疲劳研究

1．4 有限元在纺织结构复合材料中的应用

1．5 本课题研究内容

第二章 三维编织复合材料制备

2．1 概述

2．2 三维编织织物结构及织造

2．3 三维编织复合材料成型

第三章 三维编织复合材料三点弯曲疲劳实验及结果

3．1 实验简介

3．2 加载条件

3．3 实验结果

3．3．1 最大挠度曲线

3．3．2 刚度降解

3．3．3 损伤形态

第四章 三维编织复合材料单胞模型和刚度矩阵

4．1 三维编织复合材料分析简化

4．2 单胞模型

4．3 三维编织复合材料各组分柔度矩阵和刚度矩阵

4．3．1 树脂基体

4．3．2 纱线

4．3．3 三维编织复合材料单胞的柔度矩阵

4．4 三点弯曲疲劳损伤准则

第五章 三维编织复合材料有限元模型

5．1 用户子程序

5．2 几何模型

5．3 分析过程

5．4 加载及约束条件

5．5 网格划分

第六章 计算结果与讨论

6．1 最大挠度曲线

6．2 疲劳过程中材料挠度应力云图

6．3 刚度降解

6．4 损伤形态

第七章 结论与展望

7．1 本课题研究的主要结论

7．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学位论文