编织角对玄武岩纤维复合材料管件力学性能的影响

摘要

织物增强复合材料是采用纤维编织物为增强材料，高分子聚合物为基体的一种新型复合材料。相比于层压类复合材料，织物增强复合材料和基体的结合更为紧密，因此具有更好的结构完整性、较高的比强度以及高水平的比刚度等优点。然而，目前常用的增强纤维存在生产成本高、污染较严重、难降解等特点，使得纤维织物增强复合材料在民用领域的应用受到了较大的限制。与其它纤维相比，玄武岩纤维具有三个突出的优点:可生物降解、机械性能优异以及良好的经济价值。因而是综合性价比最好的高性能纤维之一，将其应用于织物增强复合材料，能够给社会带来显著的经济效益。　　本文以玄武岩纤维织物复合材料管件为研究对象，研究该管件的准静态压缩性能和弯曲性能。探究不同编织角对单双层织物复合材料管件压缩性能和弯曲性能的影响。通过三维模型有限元仿真预测复合材料管件在压缩过程中的应力应变、破坏机理、破坏模式，并与试验结果相对比，分析管件的失效方式。　　论文主要内容如下:　　(1)试样制备。织物编织是采用24锭子环形编织机进行编织的，将玄武岩纤维缠绕在纱线筒上，放入环形编织机进行编织，通过调整电机的卷取速度以及环形编织机的旋转速度，可编织出具有不同编织结构的玄武岩纤维预制件。采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺将玄武岩纤维编织预制件与树脂复合成型，制备玄武岩纤维增强复合材料管件。根据轴向准静态压缩和三点压弯测试的相关标准，将复合材料管件分别切割成长度50mm和130mm的试样，测试其压缩和弯曲力学性能。　　(2)建模仿真。基于曲面相交法建立玄武岩纤维预制件的仿真模型，以螺旋曲面和拉伸曲面的交叉曲线来模拟纤维在编织过程的螺旋轨迹，通过曲线扫描和阵列对玄武岩纤维预制件进行三维建模。将建立的纤维织物模型转换为.step文件导入Abaqus CAE中进行装配分析，定义玄武岩纤维和环氧树脂的材料属性，根据材料管组分物理性质的不同，玄武岩纤维织物增强体定义为各向异性，而环氧树脂定义为各向同性。同时，在纤维编织件上定义方向，建立材料的局部坐标系。以单细胞模型来预测复合材料管件在轴向压缩和三点压弯过程中的损伤模式。　　(3)试验。对制备的玄武岩纤维织物复合材料管件进行准静态压缩和三点压弯试验。在轴向准静态压缩过程中，试件在宏观上主要产生四种破坏模式:断裂、分瓣和折叠模式，其中断裂和折叠主要发生在纤维含量较低的实试件中，折叠破坏模式则以纤维含量较高的试件为主。三点压弯试验中，随着载荷的不断加大，压头位置产生的裂纹不断向管件侧壁延伸。管件的弯曲性能与纤维预制件的编织角密切相关，编织角增大，管件的比能量吸收值SEA、弯曲模量和弯曲强度均随之减小，表明管件的弯曲性能随着编织角度的增大而减小。。　　最后，通过仿真模拟对管件的破坏机理进行分析，与试验的结果相互验证。通过对比二者之间的力学性能曲线，破坏形貌以及能量吸收特性，剖析复合材料管件编织角参数与失效形式之间的因果关系，并且通过试验来验证仿真模型分析的正确性。

目录

声明

摘要

1．1前言

1．2国外研究现状

1．3国内研究现状

1．4主要研究内容

第二章玄武岩纤维织物复合材料管件的制备工艺

2．1织物复合材料管件试验方案设计

2．2玄武岩纤维预制件的制备

2．2．1芯轴注蜡

2．2．2玄武岩纤维的选用

2．2．3编织机和编织工艺

2．2．4编织角的设定

2．3预制件成型件的制备

2．3．1固化模具的设计

2．3．2复合材料基体的选用

2．3．3真空辅助RTM固化成型工艺

第三章双层织物复合材料圆管几何建模和力学性能仿真分析

3．1纤维织物结构模型基本设定

3．2建模过程

3．3织物复合材料模型仿真参数设定

3．4轴向压溃仿真结果讨论

3．5三点压弯仿真参数设定和模拟结果分析

第四章织物复合材料管件的准静态压缩性能研究

4．1复合材料管件的参数

4．2单层复合材料管件的准静态压缩试验

4．3单层复合材料的圆管和方管压缩性能分析

4．4单层复合材料圆管和方管失效形式分析

4．5双层复合材料圆管轴向压缩试验

4．5．1双层圆管准静态压缩模拟结果与试验结果对比分析

4．5．2双层复合材料圆管破坏模式分析

4．6单双层复合材料圆管准静态压缩试验结果对比分析

第五章织物管的弯曲试验性能试验研究

5．1双层织物圆管三点压弯试验

5．1．1试验步骤和管件基本参数

5．1．2试验原理和设备

5．2双层复合材料圆管弯曲性能分析

5．2．2三点压试验结果对比分析

5．2．3弯曲试验曲线及管件的形变分析

5．2．4编织形式的弯曲性能分析

6．1研究内容总结

6．2后续研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文