基于损伤理论的三维编织复合材料强度研究

论文摘要

三维编织复合材料具有优异的力学性能，因而在航空、航天等高科技领域得到了广泛的应用和发展。三维编织复合材料力学性能研究是一个非常有意义的课题，对材料在实际工程中的应用有很大的指导作用。由于材料内部结构的复杂性，三维编织复合材料的性能还有许多问题需要进一步研究。为了预测三维四步法（1×1）编织复合材料的宏观性能，本文建立了考虑周期性位移边界条件的参数化有限元细观体胞模型。利用有限元模型计算了编织复合材料的宏观弹性常数，分析讨论了纤维编织角与体积比对弹性常数的影响。结果表明，编织复合材料的弹性模量主要取决于纤维材料的体积百分比和纤维束材料的主方向偏离测量方向的程度。采用ANSYS有限元软件模拟三维编织复合材料的渐进损伤过程并对其进行强度分析。结合Eshelby-Mori-Tanaka方法计算含损伤裂纹的材料的刚度矩阵，并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程，有效地降低了模拟结果对有限元网格的依赖程度。通过计算，得到了材料应力应变的非线性关系和失效时的极限强度，并分析了材料的破坏机理。结果表明：大编织角材料的拉伸破坏模式主要是基体失效与纤维横向拉剪破坏；小编织角材料的拉伸破坏模式则为纤维轴向断裂。模拟计算结果与实验结果吻合较好。最后，采用一种经验性的方法，结合不同的强度准则分别对纤维和基体材料进行了强度分析，得到材料发生破坏时失效单元的体积比，预测了材料的强度。并将该方法的计算结果与渐进损伤方法的预测结果进行比较，分析了两种方法的优缺点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 三维编织复合材料工艺简介
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 三维编织复合材料的细观几何模型
• 1.2.2 三维编织复合材料的力学性能的实验研究
• 1.2.3 三维编织复合材料的力学性能的数值理论研究
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 单胞的有限元模型
• 2.1 有限单元法概述
• 2.2 单胞的几何模型
• 2.3 模型中材料的定义
• 2.4 周期性边界条件
• 2.5 本章小结
• 第三章 三维编织复合材料的刚度性能研究
• 3.1 材料加载方式
• 3.2 材料刚度研究
• 3.2.1 有限元计算结果
• 3.2.2 刚度结果分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 损伤模型与损伤演化方程
• 4.1 损伤力学概述
• 4.2 损伤形式与强度准则
• 4.3 连续损伤模型
• 4.3.1 损伤材料应力应变关系
• 4.3.2 各向同性材料损伤后的弹性矩阵
• 4.4 损伤演化方程
• 4.4.1 刚度折减方案
• 4.4.2 折减系数的确定
• 第五章 三维编织复合材料损伤强度计算
• 5.1 渐进损伤加载流程
• 5.2 三维编织复合材料损伤机理分析
• 5.2.1 大编织角复合材料的渐进损伤分析
• 5.2.2 小编织角复合材料的渐进损伤分析
• 5.3 三维编织复合材料强度性能预测
• 5.3.1 材料渐进损伤单元破坏体积比
• 5.3.2 一种经验性的强度预测方法
• 5.3.3 三维编织复合材料强度分析小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文