三维正交机织复合材料力学性能研究

摘要

纤维增强复合材料由于比强度高、吸能好的特点而被广泛的应用于航天、航空以及工程防护领域。三维结构复合材料在厚度方向引入了增强纤维，克服了层合板易分层、冲击容限低的缺点，可以有效的改善材料力学性能，提高材料的抗弹道性能，因此得到了越来越广泛的关注和研究。 本文以Kevlar纤维/乙烯基树脂、无碱E玻璃纤维/乙烯基树脂三维正交机织复合材料为研究对象，展开一系列的实验研究。利用MTS开展了准静态实验，包括面内经向和纬向的拉伸实验和面内和离面的压缩实验；利用SHPB开展了动态实验，包括离面方向的冲击压缩实验，得到材料的应力应变关系，对不同方向上材料的应变率效应和强度效应进行了分析，得到了材料应变率相关的强度模型，并分析了材料在不同加载条件下的破坏模式。 考虑3D-OWC的结构特点，在假设纤维束横截面为矩形截面、纤维为基体均为线弹性材料的基础上，建立了单胞模型，利用该模型，推导出纤维体积分数和织物参数之间的关系，并利用材料力学方法推导出弹性模量计算公式。纤维体积分数和弹性模量计算公式简单明了，计算值和实验值较为吻合，适合工程应用。 弹道研究方面，对两种材料进行了600-1100m/s范围内的弹道侵彻实验，研究并对比了两种材料的弹道性能，分析了3D-OWC的破坏模式，并详细讨论Z纱对吸能机制的影响；在各向异性本构模型中引入损伤场，结合Hashin材料强度模型，利用商业有限元软件LS-Dyna开展3D-OWC材料弹道侵彻数值模拟研究，计算了弹体的剩余速度和侵彻速度时间曲线，并结合面内x方向纤维和面内基体损伤发展的模拟结果，分析了材料的破坏模式，进行了非常有意义的研究工作。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章绪论

1.1引言

1.2粘塑性本构关系

1.3三维正交机织复合材料研究概况

1.4本文的主要内容

第二章热粘塑性本构研究

2.1热粘塑性本构关系的研究

2.2含损伤的热粘塑性本构关系一般形式

2.3两种典型的含损伤的热粘塑性本构关系

2.3.1 Johnson-cook热粘塑性本构

2.3.2 Bodner-Partom粘塑性模型

2.4纤维增强复合材料本构关系研究

2.5纤维增强复合材料强度模型

2.6本章小结

第三章三维正交机织复合材料实验研究

3.1三维正交机织复合材料准静态实验研究

3.1.1实验概述

3.1.2实验结果和讨论

3.2三维正交机织复合材料中高应变率实验研究

3.2.1实验方法和设备介绍

3.2.2实验结果与讨论

3.3三维正交机织复合材料弹道实验研究

3.3.1纤维集合体防弹材料的防弹机理

3.3.2防弹性能表征及测试

3.3.3实验介绍

3.3.4结果和分析

3.3.5 3D-OWC材料吸能机制分析

3.4.本章小结

第四章纤维体积分数和弹性常数计算

4.1纤维体积分数计算

4.1.1纤维体积分数公式推导

4.1.2算例及误差分析

4.2弹性模量计算

4.2.1单胞模型建立及公式推导

4.2.2算例对比分析

4.3本章小结

第五章Kevlar/乙烯基树脂3D-OWC弹道侵彻数值模拟

5.1控制方程和有限元离散

5.1.1控制方程及有限元离散

5.1.2沙漏控制

5.1.3人工体积粘性

5.2.子弹材料模型

5.3.靶板材料模型

5.3.1正交各向异性本构模型

5.3.2 Hashin准则和损伤模式

5.3.3损伤演化计算

5.3.4破坏后行为的描述

5.3.5应变率效应的影响

5.4材料建模

5.5数值模拟结果和分析

5.5.1剩余速度

5.5.2侵彻速度的时间历程曲线

5.5.3损伤发展

5.6本章小结

第六章全文总结和展望

6.1全文总结

6.2未来展望

参考文献