碳纤维编织复合材料层合板面内损伤机理的试验和数值研究

摘要

碳纤维复合材料作为轻量化材料的代表，凭借其优异的性能在航天、航空、交通等领域得到广泛应用，特别是作为承力构件的应用逐渐增多。作为承力构件的复材承受载荷复杂多变，尤其是处于压缩载荷时表现出复杂的损伤行为，抗压强度也明显低于其抗拉强度。因此，在许多设计中，抗压强度是一个限制参数，需要大量的基础研究来了解控制抗压强度的参数并阐明压缩断裂的机理，实现对碳纤维复合材料力学性能的预测。　　本文结合试验和数值方法对二维双轴编织复合层合板的面内压缩行为进行研究。制备了三类具有不同偏轴角度的试样，通过对试样进行准静态和动态高应变率的面内压缩试验，研究应变率和偏轴角度对编织复材机械性能和损伤机理的影响。在准静态条件下，采用光学相机和红外热成像技术对试样表面损伤形貌进行表征分析。在动态高应变率条件下，通过高速相机研究压缩过程中的损伤形貌，并基于X射线计算机断层扫描技术分析试样内部损伤状况。数值仿真方面，利用MaskR-CNN模型对复材试样CT扫描图像进行纱线分离，提取相应的轮廓点云数据，并借助MeshLab软件工具重构建立增强体的几何模型，通过数值模拟方法对有限元介观模型进行动态压缩模拟，获取应力分布、损伤状态等信息，并将仿真结果与试验结果相比较，分析加载过程的损伤变化和失效模式的控制机理。本文主要结论如下：　　1.分析不同偏轴角编织复合层合板的准静态和动态压缩力学响应曲线，发现具有纱线与加载方向平行特性的OA60试样的弹性模量和抗压强度最大，断裂应变最小，而纱线与加载方向夹角最大的OA00试样的弹性模量和抗压强度最小，断裂应变最大。在高应变率动态压缩条件下，所有的试样具有更高的抗压强度和弹性模量以及更小的破裂应变。　　2.多种表征手段对试样的损伤研究表明，由于编织物纱线交错的结构属性，编织复合材料中容易出现沿编织路径的局部基体的损伤。偏轴角的引入导致了不同的损伤模式，OA00试样是贯穿整个厚度的剪切带，而OA60和OA90试样是分层损伤。以分层为主的损伤比以剪切为主的损伤具有更高的温升和更大的损伤体积。　　3.有限元介观模型的数值模拟结果表明，当纱线与加载方向的夹角较大(OA00)时，纱线边缘与树脂的交界处容易出现应力集中，导致纱线边缘处的纤维压缩损伤。当纱线与加载方向的夹角较小时(OA60和OA90)，纱线中段位置和层间容易发生应力集中，最终造成层间分层损伤和纱线断裂损伤。

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