织物复合材料低速冲击特性与损伤机理研究

论文摘要

空间充气展开结构因为在通信和军事等方面的重要战略地位而备受关注,作为空间充气展开结构主要使用材料的织物复合材料,其研究工作也日益受到人们的重视。本文研究了固化后的空间充气展开结构材料(碳纤维织物和芳纶织物复合材料)的低速冲击破坏模式和损伤机理,考虑不同加载速率、材料自身特性参数(铺层数量和铺层方式)对低速冲击特性的影响,并针对低速冲击作用下的复合材料层合板建立三维有限元模型。研究表明,织物复合材料低速冲击破坏模式与增强纤维的性质有关:碳纤维织物复合材料在宏观上表现为脆性断裂模式,以纤维剪断为主,伴随沿织物方向的基体开裂以及基体与纤维脱粘,正面损伤区域近似圆形;芳纶织物复合材料呈现明显的以应力集中处为中心的十字形破坏区域,基体沿织物方向产生开裂,开裂处大量纤维拉伸断裂及拔出,纤维出现原纤化。失效过程分为四个阶段,但两种材料存在差异:碳纤维织物复合材料依次经历了弯曲变形、大量纤维断裂、穿透和扩孔阶段;而芳纶织物复合材料经历了弯曲变形、大量纤维断裂和拔出、穿透以及裂纹沿织物方向扩展阶段。织物复合材料的能量吸收过程包括初始阶段、线性增加阶段和稳定阶段,能量的吸收途径主要包括层合板的弯曲变形、纤维断裂和拔出、基体开裂、纤维与基体的脱粘以及分层等,纤维断裂是织物复合材料吸收能量的主要方式。织物复合材料的破坏模式和低速冲击响应受加载速率、铺层数量和铺层方式的影响。碳纤维织物复合材料的破坏模式和冲击响应与加载速率相关,表现出了明显的应变率效应,冲击速度的提高使得材料的抗穿透能力增强,芳纶纤维织物复合材料则对应变率不敏感;碳纤维织物和芳纶织物复合材料的抗冲击特性具有明显的厚度效应,随着铺层数量的增加,材料的能量吸收性能和抗冲击能力提高;铺层方式的研究表明,在设计抗冲击层合板时,要尽量避免具有相同方向铺层的铺层组,同时外表面优先选择(±45)铺层结构,并以(0,90)铺层居多为宜。基于显示有限元软件ABAQUS/Explicit和复合材料层合结构的力学模型,建立了冲击作用下的有限元分析模型;通过标准的拉伸试验,确定了碳纤维织物和芳纶织物复合材料的模型参数;结合复合材料Hashin失效准则和刚度退化技术对2.5m/s、3m/s和3.9m/s冲击速度下的碳纤维织物复合材料动态响应进行了有限元分析,所得的计算结果和实验结果吻合较好,证明所建模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 织物复合材料研究概述
• 1.2.1 织物复合材料的发展与应用
• 1.2.2 织物复合材料的技术特征
• 1.3 高性能增强纤维
• 1.4 织物复合材料低速冲击研究的国内外研究现状
• 1.4.1 低速冲击特性及损伤机理
• 1.4.2 有限元分析技术
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 试验研究
• 2.1 试验用增强纤维与织物材料
• 2.2 织物复合材料层合板制备
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 准静态侵彻试验
• 2.3.2 低速冲击试验
• 2.3.3 拉伸性能测试
• 2.3.4 损伤检测技术
• 2.3.5 损伤形貌观测
• 第3章 织物复合材料低速冲击破坏模式及机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 准静态侵彻下破坏模式与损伤机理
• 3.2.1 织物复合材料的破坏模式
• 3.2.2 织物复合材料的失效过程与损伤机理
• 3.3 低速冲击下的破坏模式与损伤机理
• 3.3.1 不同加载速率
• 3.3.2 不同铺层数量
• 3.3.3 不同铺层方式
• 3.4 织物复合材料的能量吸收机理
• 3.5 本章小结
• 第4章 织物复合材料的低速冲击响应
• 4.1 引言
• 4.2 准静态侵彻的载荷-位移关系
• 4.3 低速冲击响应
• 4.3.1 碳纤维织物复合材料
• 4.3.2 芳纶织物复合材料
• 4.4 影响织物复合材料低速冲击特性的因素
• 4.4.1 加载速率对织物复合材料低速冲击特性的影响
• 4.4.2 铺层数量对织物复合材料低速冲击特性的影响
• 4.4.3 铺层方式对织物复合材料低速冲击特性的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 织物复合材料冲击响应的有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 复合材料层合板有限元模型
• 5.3 有限元模型参数确定
• 5.4 复合材料层合板冲击损伤预测的数值分析和实验验证
• 5.4.1 模型建立
• 5.4.2 有限元结果与实验结果对比
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢