机织针织混编结构复合材料冲击拉伸性能与破坏机理

摘要

机织针织混编结构(Co-Woven-Knitted,以下简称为CWK)织物是将机织物中经纱与纬纱在编织过程中分别同时插入到纬编针织物中形成特殊的机织与针织共存结构,其兼具机织物的结构稳定性与针织物的适型性。插入经纱与纬纱既可以准确控制针织复合材料的各向异性程度,还可以提高纤维体积含量,增大织物拉伸强度、刚度与能量吸收性能。该增强结构在复合材料工程结构设计中有较大优势,本文基于该增强结构的混编优点,着重研究机织针织混编结构复合材料(以下简称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、复合材料破坏过程有限元模拟、冲击拉伸失效机理的频域分析。
　　(1)在MTS (Materials Testing System)材料测试系统与分离式霍布金森拉杆装置(Hopkinson Tension Hopkinson,以下简称SHTB)上分别测试CWK复合材料在准静态(0.001/s)与高应变率条件下(最高达2586/s)的拉伸性能,分析拉伸刚度、断裂强度、失效应变、能量吸收与破坏模式的应变率效应。实验发现CWK复合材料具有明显的应变率效应。拉伸强度、失效应变、能量吸收和能量回复都具有应变率敏感性。拉伸强度、能量吸收和能量回复随应变率增加而显著增加。CWK复合材料在准静态率下破坏模式为纤维断裂和和基体剪切破坏,在高应变率下为纤维抽拔失效。
　　(2)根据CWK复合材料的细观结构,构建CWK复合材料的单胞模型并推导刚度矩阵,运用FORTRAN语言编写材料属性用户自定义子程序(Vectorized User-defined Materials Subroutine,简称VUMAT),结合商用有限元软件ABAQUS/Explicit数值模拟计算CWK复合材料在高应变率下的冲击拉伸性能破坏过程与破坏形态。研究表明所建立的单胞模型可以精确计算CWK复合材料冲击拉伸性质,并可以推广至CWK复合材料工程结构冲击响应设计。
　　(3)将CWK复合材料在各应变率下拉伸应力-时间信号与应变-时间信号用快速傅里叶变换研究在不同拉伸应变率下的幅值特征、相位特征与能量吸收特征,结果表明复合材料在冲击拉伸下对应变率敏感,在准静态下振幅与能量分布接近于零附近频域,高应变率下振幅与能量分布于较高频域。结论表明CWK复合材料在高频域区具有较好的能量吸收性能,复合材料在高频率下具有优异的抗冲击性能。
　　(4)用Hilbert-Huang变换将CWK复合材料在各应变率下应力-时间信号与应变-时间信号在频域内研究复合材料的冲击拉伸性能。应力-时间信号用Hilbert-Huang变换方法分解成固有模态函数获得频率时间谱,在时间域和频率域观察冲击拉伸整个破坏过程。频率分布说明不同频率范围对应一定破坏模式。复合材料在冲击拉伸时,纤维断裂、纤维抽拔、树脂裂缝和树脂剪切破坏等失效模式对应着特定的频率范围。
　　(5)用系统函数在频域内研究CWK复合材料冲击拉伸特征。复合材料分别作为连续系统与离散系统,应变-时间信号作为输入和应力-时间信号作为输出,得到两种系统下的系统函数、振幅响应、相位响应与极点分布。结果显示CWK复合材料在Laplace变换和Z变换下有类似稳定性。连续系统在高应变率下不稳定,但在屈服点前是稳定的,而离散系统在屈服点前是稳定的。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 纺织结构复合材料研究进展

1.2.1 二维纺织结构复合材料

1.2.2 三维机织结构复合材料

1.2.3 三维编织结构复合材料

1.2.4 三维缝合结构复合材料

1.2.5 三维针织结构复合材料

1.2.6 三维机织针织混编结构复合材料

1.3 纺织结构复合材料冲击拉伸研究进展

1.3.1 纺织结构复合材料冲击拉伸研究意义

1.3.2 冲击拉伸装置发展历史与现状

1.3.3 纺织结构复合材料冲击拉伸研究历史与现状

1.5 本论文研究目的和内容

1.6 本论文创新性

1.7 本论文章节安排

第二章 CWK复合材料冲击拉伸性能

2.1 CWK结构织物

2.2 CWK复合材料制备

2.3 冲击拉伸实验

2.3.1 准静态拉伸

2.3.2 冲击拉伸装置

2.3.3 冲击拉伸原理

2.4 拉伸实验结果

2.4.1 CWK复合材料冲击拉伸应力应变曲线

2.4.2 CWK复合材料冲击拉伸力学性能和能量吸收

2.4.3 CWK复合材料高应变率下拉伸断裂形态

2.5 本章小结

第三章 CWK复合材料冲击拉伸有限元计算

3.1 前言

3.2 CWK复合材料单胞模型

3.2.1 单胞模型

3.2.2 各组份体积含量

3.2.3 沿0°方向各组分刚度矩阵与柔度矩阵

3.2.4 沿45°方向各组分刚度矩阵与柔度矩阵

3.2.5 沿90°方向各组分刚度矩阵与柔度矩阵

3.3 CWK复合材料破坏准则

3.3.1 体积平均化

3.3.2 临界损伤面积(CDA)失效理论

3.3.3 材料失效

3.4 单胞均匀化

3.5 有限元模拟计算

3.5.1 用户子程序VUMAT

3.5.2 有限元模拟

3.6 结果与讨论

3.6.1 沿0°方向力学性能与破坏形态

3.6.2 沿45°方向力学性能与破坏形态

3.6.3 沿90°方向力学性能与破坏形态

3.7 本章小结

第四章 CWK复合材料冲击拉伸破坏机理快速傅里叶变换分析

4.1 前言

4.2 FFT简介

4.3 CWK复合材料冲击拉伸性能的FFT分析

4.4 本章小结

第五章 CWK复合材料冲击拉伸破坏机理Hilbert-Huang变换分析

5.1 HHT简介

5.2 CWK复合材料冲击拉伸性能的HHT分析

5.3 本章小结

第六章 CWK复合材料冲击拉伸破坏机理系统函数分析

6.1 前言

6.2 连续系统与Laplace变换

6.2.1 连续系统的系统函数

6.2.2 连续系统的稳定性

6.2.3 连续系统函数的建模

6.3 离散系统与Z变换

6.3.1 离散系统的系统函数

6.3.2 离散系统的稳定性

6.3.3 离散系数函数的建模

6.4 连续系统的频域分析与系统稳定性

6.4.1 沿0°方向CWK复合材料冲击拉伸频域特征

6.4.2 沿0°方向CWK复合材料系统力学性能的稳定性

6.4.3 沿45°方向CWK复合材料冲击拉伸频率特征

6.4.4 沿45°方向CWK复合材料系统力学性能的稳定性

6.4.5 沿90°方向CWK复合材料冲击拉伸频率特征

6.4.6 沿90°方向CWK复合材料系统力学性能的稳定性

6.5 离散系统的频域分析与系统稳定性

6.5.1 沿0°方向CWK复合材料冲击拉伸频率特征

6.5.2 沿0°方向CWK复合材料系统力学性能的稳定性

6.5.3 沿45°方向CWK复合材料冲击拉伸频率特征

6.5.4 沿45°方向CWK复合材料系统力学性能的稳定性

6.5.5 沿90°方向CWK复合材料冲击拉伸频率特征

6.5.6 沿90°方向CWK复合材料系统力学性能的稳定性

6.6 本章小结

第七章 全文结论与展望

7.1 主要结论

7.2 不足与展望

参考文献

致谢

博士研究生期间发表论文