三維編織復(fù)合材料沖擊響應(yīng)有限元分析及頻域分析.pdf

1、三維編織復(fù)合材料具有整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相比層合復(fù)合材料加強(qiáng)了厚度方向力學(xué)性能，顯著提高了層間剪切強(qiáng)度，在承受載荷特別是動(dòng)態(tài)載荷時(shí)不會(huì)分層。三維編織復(fù)合材料在力學(xué)性能上體現(xiàn)為高強(qiáng)高模、高沖擊損傷容限，廣泛用于抗沖擊結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中。
　　 本文旨在采用有限元方法模擬三維編織復(fù)合材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，減少三維編織復(fù)合材料制作和測試成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期;同時(shí)采用頻域分析方法深入剖析時(shí)域內(nèi)沖擊應(yīng)力波特征，有助于三維編織復(fù)合材料沖擊破壞失效分析，更

2、加有利于三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)。
　　 本論文研究工作主要分為三部分。(1)采用分離式霍普金森壓桿和Instron落錘沖擊儀分別測試不同速度下三維編織復(fù)合材料橫向沖擊和低速?zèng)_擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過對(duì)比三維編織復(fù)合材料在不同沖擊加載模式和不同沖擊速度下力學(xué)響應(yīng)特征和破壞形態(tài)分析其損傷機(jī)制和失效機(jī)理。(2)根據(jù)三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)建立單胞模型，推導(dǎo)其本構(gòu)方程。引入最大應(yīng)力準(zhǔn)則和臨界失效面積準(zhǔn)則并編寫用戶自定義材料子程序VUMAT，

3、結(jié)合動(dòng)態(tài)顯式求解器ABAQUS/Explicit計(jì)算三維編織復(fù)合材料橫向沖擊和低速?zèng)_擊載荷-位移曲線。(3)將三維編織復(fù)合材料沖擊載荷-時(shí)間曲線作為原始信號(hào)通過快速傅立葉變換和希爾伯特-黃變換方法得到?jīng)_擊應(yīng)力波在頻域內(nèi)特征。
　　 研究主要結(jié)論:
　　 (1)三維編織復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)橫向加載模式下，載荷由零線性增加到最大值，然后緩慢下降。由于三維編織復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)有足夠時(shí)間達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，因而試件外觀損傷區(qū)域普遍較小

4、，正面主要表現(xiàn)為樹脂開裂而背面表現(xiàn)為纖維與樹脂脫粘。
　　 (2)在橫向沖擊加載下，由于應(yīng)力波在輸入桿中多次反射，輸入桿會(huì)多次撞擊三維編織復(fù)合材料試樣，因而在載荷位移曲線上會(huì)出現(xiàn)多次載荷峰值，載荷隨沖擊次數(shù)增加而減小。三維編織復(fù)合材料橫向沖擊最大載荷和吸收能量隨沖擊速度增加而增加。在破壞形態(tài)方面，三維編織復(fù)合材料在較低沖擊速度下以樹脂開裂為主，在較高速度下以纖維束斷裂為主。(3)三維編織復(fù)合材料在低速?zèng)_擊下最大載荷、最大載荷處能

5、量以及吸收總能量均隨沖擊速度增加而增加。另外隨沖擊速度增加，失效模式也從彈性變形變?yōu)闃渲_裂、纖維束與樹脂脫粘直至最后纖維束斷裂。
　　 (4)三維編織復(fù)合材料有限元計(jì)算載荷-位移曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，證明了單胞模型及用戶子程序VUMAT的正確性和有效性。該模型可以廣泛應(yīng)用和推廣至三維編織及其他結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測中。
　　 (5)三維編織復(fù)合材料沖擊應(yīng)力波經(jīng)快速傅立葉變換后得到其頻率和幅度特征。結(jié)果顯示沖