紡織復(fù)合材料沖擊壓縮性質(zhì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)：實(shí)驗(yàn)表征和有限元分析.pdf

1、紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是以織物作為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形成的復(fù)合材料，織物結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料性質(zhì)有顯著影響。研究織物結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性質(zhì)影響一直是紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的重要課題。本論文聚焦于紡織復(fù)合材料沖擊壓縮的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，采用實(shí)驗(yàn)表征和有限元方法研究二維平紋層壓復(fù)合材料、三維正交機(jī)織和三維編織復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率壓縮下的變形和破壞形態(tài)以及加載應(yīng)力應(yīng)變行為。發(fā)現(xiàn)在不同應(yīng)變率條件下，紡織復(fù)合材料壓縮性質(zhì)的應(yīng)變率效應(yīng)和失效機(jī)制，同時(shí)增強(qiáng)織物對(duì)壓縮應(yīng)力應(yīng)變行為有

2、不同的表現(xiàn)形式。通過(guò)有限元分析，解釋產(chǎn)生上述現(xiàn)象的機(jī)理。
　　論文主要工作和科學(xué)發(fā)現(xiàn)是：
　　(1)分別用MTS材料試驗(yàn)機(jī)和分離式Hopkinson壓桿裝置測(cè)試二維平紋層壓復(fù)合材料、三維正交機(jī)織和三維編織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率壓縮性質(zhì)。通過(guò)不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和試件破壞形態(tài)分析各復(fù)合材料的應(yīng)變率效應(yīng)和破壞模式。結(jié)果顯示紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)聚乙烯基酯樹(shù)脂復(fù)合材料均具有明顯應(yīng)變率敏感性和各向異性。
　　(2)對(duì)比上述三種

3、紡織復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的壓縮性質(zhì)，分析不同織物增強(qiáng)相對(duì)復(fù)合材料壓縮性質(zhì)影響以及對(duì)應(yīng)變率的敏感性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，面外壓縮時(shí)，平紋層壓復(fù)合材料的壓縮剛度、強(qiáng)度以及應(yīng)變率敏感性都最高，而編織復(fù)合材料最弱。但當(dāng)應(yīng)變率大于1500 s-1以后，編織復(fù)合材料能量吸收能力最高，平紋層壓復(fù)合材料能量吸收能力最弱。面內(nèi)壓縮時(shí)，平紋層壓復(fù)合材料的面內(nèi)壓縮剛度最大而面內(nèi)能量吸收能力最低，正交機(jī)織復(fù)合材料的面內(nèi)壓縮強(qiáng)度最高，編織復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變最大、面內(nèi)能量

4、吸收能力以及應(yīng)變率敏感性都最高。這說(shuō)明三維織物增強(qiáng)復(fù)合材料受面內(nèi)壓縮時(shí)能量吸收能力明顯優(yōu)于二維層壓復(fù)合材料。
　　(3)觀(guān)察復(fù)合材料試件破壞形態(tài)照片分析其破壞模式。二維平紋層壓復(fù)合材料在受面外壓縮時(shí)，破壞形式以纖維剪切斷裂和樹(shù)脂局部壓碎為主；受面內(nèi)壓縮時(shí)，破壞形式以分層和樹(shù)脂剪切為主。三維正交機(jī)織復(fù)合材料厚度方向壓縮以經(jīng)紗纖維剪切斷裂為主；而受經(jīng)向或緯向加載時(shí)，以“掃帚”形破壞端面為主且無(wú)分層發(fā)生。四步法編織復(fù)合材料受面內(nèi)外壓縮載

5、荷時(shí)，各方向上的破壞模式都以試件表面樹(shù)脂脫落、纖維束取向發(fā)生較大變化并且纖維束間內(nèi)部樹(shù)脂失效為主。研究發(fā)現(xiàn)三維復(fù)合材料具有明顯的抗壓縮分層能力。
　　(4)通過(guò)有限元介觀(guān)結(jié)構(gòu)模型模擬各復(fù)合材料壓縮變形過(guò)程，重點(diǎn)闡述復(fù)合材料中紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)相的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和破壞機(jī)理。從有限元介觀(guān)模型輸出結(jié)果可知，對(duì)于每種紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，不同方向上的動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程都可以分為三個(gè)階段：應(yīng)力波前鋒傳透、試件整體承力、破壞發(fā)生與發(fā)展。這三個(gè)階段的力學(xué)響應(yīng)不僅與組

6、成復(fù)合材料的各組分材料力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且更取決于紡織增強(qiáng)相的結(jié)構(gòu)特征。從介觀(guān)纖維束尺度分析織物增強(qiáng)相的壓縮破壞主要發(fā)生在纖維束空間曲線(xiàn)的曲率發(fā)生變化的區(qū)域，且曲率變化越大越容易產(chǎn)生破壞；或者在曲率值最大的區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。
　　(5)結(jié)合試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)和試件破壞形態(tài)分別與對(duì)應(yīng)的有限元預(yù)測(cè)結(jié)果作比較，以驗(yàn)證有限元模型的有效性。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者都具有較好的一致性。因此，該有限元模型可以為該類(lèi)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其力學(xué)性質(zhì)分析提供一種