三维正交机织混杂复合材料的横向冲击性能及有限元分析

摘要

当今纤维增强复合材料已经广泛应用于军事，航空航天，汽车和体育器材，甚至民用设施等广泛领域，纤维增强复合材料以其优良的机械性质引起了材料科学界的极大兴趣。 三维正交机织复合材料是一种典型的三维纺织结构复合材料，由于Z方向绑定纱的引入，使其在各种三维结构复合材料中脱颖而出，尤其是抗冲击性能极其优秀，在高性能复合材料领域中得到首肯。本次实验采用Twaron纤维作为经纱和Z纱，玻璃纤维作为纬纱来织造三维正交结构织物，另外采用真空辅助树脂转移法来制作复合材料。 本文使用New MTS材料测试仪和改进型Hopkinson压杆装置来分别测试三维正交机织复合材料的准静态弯曲性能和横向冲击性能，在准静态下，复合材料弯曲变形较大，纬向复合材料比经向能够承受更大的载荷，复合材料在准静态下的破坏模式包括背面的拉伸破坏和正面的压缩破坏，在横向冲击实验下，复合材料的弯曲变形较小，随着冲击速度的增加，材料受到的最大载荷和吸收的能量也随之增加，横向冲击下的复合材料破坏模式包括基体开裂，纱线的抽拔，断裂和剪切。 通过有限元软件ABAQUS和FOTRAN语言编写的VUMAT子程序能够较精确可靠的模拟复合材料的横向冲击性能，子程序不仅可以描述三维正交机织混杂复合材料的结构和参数，而且还能有效从理论上分析复合材料的破坏模式，最终可以计算出冲击载荷历史曲线，并且能够清楚的看到整个冲击过程，来更好的验证实验的准确性和可靠性。