三维角联锁机织复合材料三点弯曲疲劳性能与结构效应

摘要

层层接结三维角联锁机织物结构由经、纬两种系统的纱线构成。其中,纬纱平行排列无屈曲,经纱以一定角度沿着结构的厚度方向衬入,且每一层中,相邻两根经纱的屈曲波动状态相反,以此形成对材料厚度方向上任意两相邻纬纱层强有力的束缚作用,从而维持织物整体结构的稳定性。以此织物结构作为增强相形成的树脂基复合材料即三维角联锁机织复合材料,在厚度以及面内方向具有高强、高模、高层间剪切强度以及大面积区域承受加载、吸收能量等诸多优势,在结构工程材料领域有巨大的应用潜力。鉴于复合材料在长期服役期,尤其在飞行器、车辆等工程结构件设计应用中的抗疲劳性能甚为关键,研究三维角联锁机织复合材料在交变循环应力加载下的疲劳性能具有重要意义。本文结合实验分析与有限元计算的方法,研究一种层层接结三维角联锁机织复合材料在三点弯曲交变循环载荷下的疲劳性能、结构效应以及破坏机理。通过实验分析方法,获取以下结果:(1)三维角联锁机织复合材料的疲劳寿命(S-N)曲线,探索材料抗疲劳能力与应力水平(60％-80%)之间的关系;(2)材料在交变循环应力加载过程中的应力-挠度曲线、刚度变化曲线、挠度变化曲线等,以此表征与分析材料的“三步骤式”渐进疲劳破坏过程;(3)准静态与交变循环应力加载条件下,材料破坏形态的比较,说明裂纹的萌生与扩展在材料疲劳破坏过程中的作用;(4)相同准静态与交变循环应力加载条件下,三维角联锁机织复合材料与三维正交机织复合材料力学性能与破坏形态的比较,阐述三维角联锁机织结构抵抗交变循环载荷的结构特征与优势。利用有限元分析方法,结合经典疲劳破坏准则,(1)建立三维角联锁机织复合材料在三点弯曲交变循环载荷下的细观结构单胞模型;(2)计算此结构复合材料在交变循环载荷下的动态力学响应;(3)通过应力在材料结构中的分布、纱线与树脂的破坏、纱线-树脂界面裂纹(脱粘)的萌生与扩展以及结构破坏的关键区域等方面阐述材料在三点弯曲交变循环载荷下发生疲劳破坏的结构效应与破坏机理。本文研究为三维角联锁机织复合材料在三点弯曲交变循环应力加载条件下的抗疲劳结构设计提供一种有效的方法,可以扩展应用于飞行器、车辆等工程领域三维纺织结构复合材料的抗疲劳结构设计。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 综述

1.1 引言

1.2 三维纺织结构复合材料力学性能研究概况

1.2.1 典型三维纺织结构复合材料力学性能研究概况

1.2.2 三维角联锁机织复合材料力学性能研究概况

1.3 纺织结构复合材料疲劳性能研究概况

1.3.1 二维纺织结构复合材料疲劳性能研究概况

1.3.2 典型三维纺织结构复合材料疲劳性能研究概况

1.3.3 三维角联锁机织复合材料疲劳性能研究概况

1.4 本论文研究目的和内容

1.5 本论文创新性

1.6 本论文章节安排

第二章 三维角联锁机织复合材料制备

2.1 引言

2.2 三维角联锁机织复合材料制备

2.2.1 织物增强相

2.2.2 基体相

2.2.3 成型工艺

2.3 复合材料纤维体积分数的测定

2.4 本章小结

第三章 三维角联锁机织复合材料三点弯曲疲劳性能测试及分析

3.1 引言

3.2 实验测试

3.2.1 准静态拉伸和三点弯曲测试

3.2.2 三点弯曲疲劳测试

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 S-N曲线

3.3.2 应力-挠度曲线

3.3.3 损伤指数、挠度指数的变化历程

3.3.4 疲劳破坏模式

3.4 本章小结

第四章 三维角联锁机织复合材料疲劳破坏结构特征

4.1 引言

4.2 三维正交机织复合材料的结构

4.3 实验测试

4.3.1 三维正交机织复合材料制备

4.3.2 准静态三点弯曲和疲劳测试

4.4 实验结果与讨论

4.4.1 准静态三点弯曲力学性能对比

4.4.2 三点弯曲疲劳性能对比

4.5 本章小结

第五章 三维角联锁机织复合材料疲劳破坏有限元模型

5.1 引言

5.2 有限元计算的软件及硬件

5.3 三维角联锁机织复合材料的细观结构模型

5.4 三维角联锁机织复合材料疲劳破坏有限元模型

5.4.1 接触条件设置

5.4.2 约束条件设置

5.4.3 载荷条件设置

5.4.4 网格单元划分

5.5 疲劳破坏准则

5.5.1 材料破坏的初始与扩展

5.5.2 材料界面裂纹的初始与扩展

5.6 本章小结

第六章 三维角联锁机织复合材料疲劳破坏结构效应和机理

6.1 引言

6.2 有限元计算结果与讨论

6.2.1 应力退化

6.2.2 应力分布

6.2.3 材料破坏扩展

6.2.4 结构破坏关键区域

6.2.5 疲劳破坏机理

6.3 本章小结

第七章 全文结论和展望

7.1 本文主要结论

7.2 本文工作展望

参考文献

攻博期间发表论文清单

致谢