横向冲击下三维纺织结构复合材料动态响应及有限元计算

论文摘要

三维纺织结构织物由于在厚度方向存在交织纤维束,使三维纺织结构复合材料具有比层压复合材料高的层间剪切强度、断裂韧性和冲击损伤容限。在对冲击损伤容限要求高的场合,三维纺织结构复合材料得到较多应用。在冲击加载下三维纺织结构复合材料具有明显区别于准静态加载的力学性质和动态响应。只有正确表征三维纺织结构复合材料在动态载荷下的力学性质,才能合理设计抗冲击加载复合材料结构件。研究三维纺织结构复合材料在冲击载荷下的力学性能对于抗冲击三维纺织复合材料及结构的设计有重要意义,是材料动态力学性能研究的一个重要方向。本论文采用改进型分离式Hopkinson压杆（SHPB）装置,测试横向不同冲击速度下三维正交机织和双轴向纬编间隔针织复合材料的动态响应,并与准静态测试结果作比较。并根据三维纺织结构复合材料的细观结构,建立单胞模型,确定单胞刚度矩阵,采用FORTRAN语言,编写基于弹塑性本构关系、最大应力准则和临界失效面积准则的单胞模型的VUMAT（FORTRAN Vectorized User-Material）接口程序。通过ABAQUS与VUMAT的连接计算,采用显式算法计算三维正交机织和双轴向纬编间隔针织复合材料的横向冲击载荷-位移曲线,结果表明两种材料的载荷-位移曲线、最大载荷-速度曲线、能量吸收-位移曲线及最终的破坏模式与实验结果之间存在较好的一致性,证明建立单胞模型和材料特性用户子程序VUMAT的正确性。该方法可以扩展到三维纺织复合材料复杂结构件的冲击响应计算。论文主要内容是:（1）用MTS材料机完成三维正交机织和双轴向纬编间隔针织复合材料的准静态横向加载实验,结果表明三维正交机织复合材料和双轴向纬编间隔针织复合材料的载荷-位移曲线有较大的区别,并讨论和分析产生区别的原因;在准静态横向加载下,材料缓慢变形,是整个结构的响应;两种材料的破坏模式类似,即是一种典型的横向加载破坏模式,上表面（受压面）为压缩破坏,下表面（受拉面）为拉伸破坏且均未发现分层现象。但在同样的冲击速度下,双轴向纬编间隔针织复合材料的破坏面积和程度比三维正交机织复合材料大,主要原因是针织材料纱线体积含量比机织材料低。（2）研制用于横向冲击实验的改进型Hopkinson单杆装置。采用该装置对三维正交机织和双轴向纬编间隔针织复合材料进行横向冲击加载实验,结果表明不论是三维正交机织还是双轴向纬编间隔针织复合材料在冲击载荷作用下,材料只产生局部破坏。随着冲击速度的增大,材料的最大载荷、破坏面积和程度、吸收能量显著增大,即表现出明显的加载应变率效应。（3）根据材料细观结构建立两种复合材料单胞模型。三维正交机织复合材料单胞模型包括经纱、纬纱、Z纱、基体四部分;双轴向纬编间隔针织复合材料单胞模型包括线圈、经向衬纱、纬向衬纱、连接纱以及基体五部分。单胞中各个组分的刚度/柔度矩阵可以通过坐标系转换得到,同时引入三维塑性势函数,推导出两种复合材料弹塑性本构方程。（4）根据三维纺织结构复合材料的细观结构,建立材料单胞模型计算冲击变形和破坏。采用FORTRAN语言,编写基于弹塑性本构关系、最大应力准则和临界失效面积准则的单胞模型VUMAT接口程序。材料失效性分析中单胞的基体失效分析采用Octahedral剪切原理和最大应力准则;单胞中纱线失效分析采用最大应力准则和临界失效面积准则。通过ABAOUS与VUMAT的相互作用,采用显式算法对三维正交机织和双轴向纬编间隔针织复合材料进行横向冲击试验的数值模拟计算,计算结果和实验结果有较好的一致性,证明建立单胞模型和材料特性用户子程序VUMAT的正确性。通过调节单胞参数,将有可能对复合材料细观作优化设计,并有利于高冲击损伤容限复合材料工程结构的设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 综述
• 1.1 引言
• 1.2 Hopkinson杆的发展历史及现状
• 1.3 单向、层合板及二维纺织结构复合材料在高应变率下的力学性能研究
• 1.3.1 单向、层合板复合材料在高应变率下的力学性能研究
• 1.3.2 二维纺织结构复合材料在高应变率下的力学性能研究
• 1.4 三维纺织结构复合材料在高应变率下的力学性能研究
• 1.4.1 三维纺织结构复合材料高应变率效应的研究
• 1.4.2 SHPB法研究纺织结构复合材料的横向冲击性能
• 1.5 有限元模拟
• 1.6 目前研究工作中存在的问题
• 1.7 本文研究目标和内容
• 1.8 本课题的创新性
• 1.9 本论文章节安排
• 第二章 三维正交机织和双轴向纬编间隔针织复合材料
• 2.1 三维纺织结构织物
• 2.1.1 三维正交混杂机织物的结构
• 2.1.2 双轴向纬编间隔针织物的结构
• 2.2 树脂体系
• 2.3 VARTM成型技术
• 2.4 三维纺织结构复合材料
• 2.5 试样加工
• 2.6 小结
• 第三章 横向冲击实验仪器装置及原理
• 3.1 引言
• 3.2 传统的SHPB装置及原理
• 3.2.1 传统的SHPB装置
• 3.2.2 传统的SHPB系统的一维实验原理
• 3.3 改进型 Hopkinson单杆装置及原理
• 3.3.1 改进型Hopkinson单杆原理
• 3.3.2 改进型Hopkinson单杆装置组成
• 3.4 小结
• 第四章 横向冲击下三维纺织结构复合材料动态力学响应
• 4.1 引言
• 4.2 三维正交机织复合材料在横向冲击下的动态力学性能
• 4.2.1 三维正交机织复合材料的准静态横向加载性能
• 4.2.1.1 准静态横向加载实验
• 4.2.1.2 准静态横向加载性能
• 4.2.1.3 准静态横向加载破坏模式
• 4.2.2 三维正交机织复合材料的动态横向冲击性能
• 4.2.2.1 改进型Hopkinson单杆动态横向冲击实验
• 4.2.2.2 动态横向冲击原始波形图
• 4.2.2.3 动态横向冲击响应
• 4.2.2.4 能量吸收
• 4.2.2.5 破坏模式
• 4.3 双轴向纬编间隔针织复合材料在横向冲击下的动态力学性能
• 4.3.1 双轴向纬编间隔针织复合材料的准静态横向加载性能
• 4.3.1.1 准静态横向加载实验
• 4.3.1.2 准静态横向加载性能
• 4.3.1.3 准静态横向加载破坏模式
• 4.3.2 双轴向纬编间隔针织复合材料的动态横向冲击性能
• 4.3.2.1 改进型Hopkinson单杆动态冲击实验
• 4.3.2.2 动态冲击原始波形图
• 4.3.2.3 动态横向冲击响应
• 4.3.2.4 能量吸收
• 4.3.2.5 破坏模式
• 4.4 小结
• 第五章 复合材料单胞模型及横向冲击有限元计算
• 5.1 引言
• 5.2 有限元法基本原理
• 5.3 有限元模拟的优越性
• 5.4 ABAQUS有限元模拟软件
• 5.4.1 ABAQUS CAE模块
• 5.4.2 ABAQUS/Explicit显式算法的优越性
• 5.4.3 用户子程序与ABAQUS的结合
• 5.5 三维正交机织复合材料有限元模拟
• 5.5.1 有限元模型的建立和参数的确定
• 5.5.2 VUMAT用户子程序
• 5.5.3 材料单胞模型
• 5.5.4 单向板刚度/柔度矩阵
• 5.5.5 三维正交机织复合材料各组分的线弹性刚度/柔度矩阵
• 5.5.6 三维正交机织复合材料弹塑性刚度/柔度矩阵
• 5.5.7 单胞均匀化
• 5.5.8 材料失效分析
• 5.5.9 有限元模拟结果与实验结果的对比
• 5.6 双轴向纬编间隔针织复合材料有限元模拟
• 5.6.1 有限元模型的建立和参数的确定
• 5.6.2 材料单胞模型
• 5.6.3 双轴向纬编间隔针织复合材料各组分的线弹性刚度/柔度矩阵
• 5.6.4 有限元模拟结果
• 5.7 小结
• 第六章 全文结论和展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望和不足
• 附录
• 攻博期间发表论文清单
• 致谢