论文题目: 纤维束冲击拉伸的数值模拟
论文类型: 博士论文
论文专业: 纺织工程
作者: 金宏彬
导师: 丁辛
关键词: 纤维束,冲击拉伸,方法,数值模拟,应力波传播
文献来源: 东华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 随着高性能纤维在受冲击载荷作用场合的广泛应用,对纤维的冲击拉伸性能进行研究是非常重要的。利用Hopkinson拉杆装置实施纤维束的冲击拉伸是获得纤维束高应变率下拉伸性能的主要手段。但纤维束冲击拉伸试验中透射波信号非常微弱,且易受干扰,为进一步的研究工作带来困难。如果应用数值模拟方法来研究纤维束的冲击拉伸过程,不仅可以得到更为准确的应力波,而且有助于理解高应变率下纤维束的破坏过程。本论文正是围绕纤维束冲击拉伸的数值模拟开展研究。 本课题的研究目标是,以Hopkinson拉杆试验装置为对象,建立一维变截面系统的力学模型,采用数值计算方法模拟试验系统的冲击拉伸过程,并应用该方法模拟纤维束的冲击拉伸过程,分析应变率对拉伸性能的影响,以期探索一种应用虚拟手段研究纤维束冲击拉伸性能的方法。 论文介绍了纤维束冲击拉伸试验装置及试验原理。通过对试验装置及测试原理的分析得知,冲击拉伸试验实质上是应力波在由Hopkinson杆与试样组成的系统中传播,通过对透射波和反射波的分析获得试样的动态力学性能。为了制得合格的纤维束试样,对纤维束缠绕股数进行了估算。结果表明,选用剪切强度高的胶粘剂或适当增加Hopkinson杆中缺口的长度都可以达到增加纤维束缠绕股数的目的。在此基础上,分别实施碳纤维和PVA纤维的冲击拉伸试验,获得了相应的应力波波形,并对测试结果进行了初步分析。 由于冲击拉伸试验装置是一个变截面系统,为准确地模拟纤维束的冲击拉伸过程,建立了一维变截面系统的力学模型。在建模过程中解决了两个关键问题:一是在一维控制方程中考虑截面积的变化;二是确立了纤维的动态失效准则。针对第一个问题,论文将应力以载荷除以截面积表示,体积密度以线密度除以截面积表示,对质量守恒方程、动量守恒方程和弹性本构方程进行修正,建立了适用于应力波在变截面系统中传播的一维模型,为应力波传播过程的数值模拟打下了基础。针对第二个问题,建立了纤维的应变失效准则,即以纤维的应变达到断裂应变作为判断纤维断裂的条件。此外,应用单Weibull和双Weibull分布分别描述了碳纤维和PVA纤维的断裂强度,获得了两种纤维束的统计本构关系,并用该本构关系对测试结果进行了拟合分析。 之后,论文建立了基于SPH方法的数值模拟方法,为纤维束冲击拉伸模拟提供了必要的计算方法。在总结SPH方法基本原理的基础上,指出了该方法在应力波传播过程模拟中尚存在的两个问题,即自由端和固定端两种不同性质边界的
论文目录:
摘要
ABSTRACT
符号说明
插图清单
表格清单
引言
第一章 纤维束冲击拉伸的研究
1．1 纤维束冲击拉伸性能的试验研究
1．1．1 冲击拉伸试验装置的发展
1．1．2 纤维束冲击拉伸性能的研究
1．2 纤维及纤维束冲击拉伸性能建模的研究
1．3 冲击拉伸性能模拟的研究
1．4 本章小结
第二章 纤维束冲击拉伸试验
2．1 冲击拉伸测试原理
2．2 试样的制作
2．2．1 缠绕股数的估算
2．2．2 试样的连接
2．3 纤维束冲击拉伸测试结果
2．4 本章小结
第三章 一维应力波传播过程的建模
3．1 一维应力波传播的控制方程
3．2 纤维束的本构关系
3．2．1 纤维束本构关系的统计特征
3．2．2 纤维的失效准则及其在模拟中的应用
3．3 本章小结
第四章 基于SPH方法的数值计算方法
4．1 SPH方法基本原理及存在问题
4．1．1 SPH方法基本原理
4．1．2 SPH方法在实际应用中存在的问题
4．2 边界处理
4．3 核函数的条件
4．3．1 函数估值方程对核函数的要求
4．3．2 微分估值方程对核函数的要求
4．3．3 几个常用核函数的分析
4．4 模拟过程
4．5 弹性杆撞击过程中应力波传播的模拟
4．6 本章小结
第五章 变截面杆中的应力波传播
5．1 变截面杆
5．2 截面积突变杆中应力波传播的模拟
5．3 截面积渐变杆中应力波传播的模拟
5．4 本章小结
第六章 应力波在冲击拉伸过程中的传播
6．1 HOPKINSON杆冲击拉伸试验装置
6．2 冲击拉伸试验的均匀性假设
6．3 试样断裂位置对应力波的影响
6．3．1 整体式试样断裂位置的影响
6．3．2 纤维束试样断裂位置的影响
6．4 试样截面积对应力波的影响
6．4．1 试样不发生断裂
6．4．2 试样发生断裂
6．5 试样长度对应力波的影响
6．6 试样弹性模量对应力波的影响
6．7 本章小结
第七章 纤维束冲击拉伸模拟
7．1 纤维束冲击拉伸模拟过程
7．2 试验结果和模拟结果之间的关系
7．3 碳纤维冲击拉伸模拟
7．3．1 模拟参数
7．3．2 模拟结果的检验
7．3．3 应变率对碳纤维冲击拉伸的影响
7．4 PVA纤维冲击拉伸模拟
7．4．1 模拟参数
7．4．2 模拟结果的检验
7．4．3 应变率对PVA纤维冲击拉伸的影响
7．5 本章小结
第八章 总结与结论
参考文献
攻读博士期间发表论文情况
致谢
发布时间: 2006-05-09
参考文献
- [1].皮革纤维编织网络三维重构研究[D]. 张华勇.江南大学2015
- [2].三维机织热塑复合材料制作微结构力学性能及复合固化过程的研究[D]. 董卫国.天津工业大学2003
相关论文
- [1].纤维力学性质应变率效应和针织复合材料弹道冲击破坏机理[D]. 竺铝涛.东华大学2010
- [2].防弹材料冲击破坏机理及其纤维的衰减规律[D]. 张华鹏.东华大学2002
- [3].纺织纤维增强复合材料的破坏模拟[D]. 邢孟秋.东华大学2003
- [4].三维矩形编织规律的研究[D]. 李毓陵.东华大学2005
- [5].聚丙烯土工织物的使用寿命预测[D]. 杨旭东.东华大学2005
- [6].纱线与织物同机弯曲表征及建模分析[D]. 杜赵群.东华大学2006
- [7].纤维增强层合材料的抗弹性能和破坏机理研究[D]. 王元博.中国科学技术大学2006
- [8].纤维集合体内液体流动的统计力学建模[D]. 翁鸣.东华大学2006
- [9].机织物拉伸断裂过程模拟及强度预测[D]. 陈国华.东华大学2006
- [10].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[D]. 吕丽华.东华大学2008