三維多胞機(jī)織復(fù)合材料沖擊響應(yīng)和能量吸收特征.pdf

1、多胞結(jié)構(gòu)材料由于輕質(zhì)高強(qiáng)和在沖擊加載下的高能量吸收特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在航空、汽車、艦船、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。該論文旨在表征三維多胞機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)、沖擊響應(yīng)和在沖擊加載下破壞特征。
　　 以角連鎖織物為基礎(chǔ)組織制備三維多胞機(jī)織物和復(fù)合材料；利用改進(jìn)型分離式Hopkinson壓桿裝置，測(cè)試三維多胞機(jī)織復(fù)合材料橫向沖擊響應(yīng)并考察其破壞特征；根據(jù)三維多胞機(jī)織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)，建立復(fù)合材料單胞模型和失效破壞準(zhǔn)則，采用FORTRAN語(yǔ)言編

2、寫基于彈塑性本構(gòu)關(guān)系、基體最大應(yīng)力準(zhǔn)則和纖維束臨界失效面積準(zhǔn)則的單胞模型用戶材料子程序VUMAT(FORTRAN VectorizedUser-Material)，結(jié)合商用有限元程序包ABAQUS/Explicit計(jì)算三維多胞機(jī)織復(fù)合材料在橫向沖擊下的力學(xué)響應(yīng)和吸能特征。結(jié)果表明三維多胞機(jī)織復(fù)合材料在沖擊加載下載荷位移曲線和沖擊失效模式的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值間存在較好的一致性，證明單胞模型、破壞準(zhǔn)則和用戶材料子程序VUMAT的準(zhǔn)確性，該方法可

3、以擴(kuò)展到計(jì)算由三維多胞機(jī)織復(fù)合材料制造的其他工程結(jié)構(gòu)件沖擊響應(yīng)。
　　 論文主要工作是：
　　 1.論述和分析改進(jìn)型Hopkinson單桿裝置原理和結(jié)構(gòu)；
　　 2.設(shè)計(jì)并織造以角連鎖形式為基礎(chǔ)組織的三維多胞機(jī)織物，該織物通過(guò)上下層織物接結(jié)形成多胞結(jié)構(gòu)，采用真空輔助樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑技術(shù)VARTM(vacuumaided resin transfer molding)制造三維多胞機(jī)織復(fù)合材料，該材料具有多孔結(jié)構(gòu)，低面密

4、度，高抗彎剛度；
　　 3.采用MTS810.23材料試驗(yàn)機(jī)和改進(jìn)型Hopkinson壓桿裝置測(cè)試三維多胞機(jī)織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊下橫向加載的力學(xué)性質(zhì)，考察復(fù)合材料能量吸收特征和破壞模式。在準(zhǔn)靜態(tài)加載下，初階段復(fù)合材料試件變形緩慢，表現(xiàn)為材料整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)；當(dāng)試件承受載荷達(dá)最大值后，材料發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。多胞機(jī)織復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)橫向載荷下的力學(xué)性能與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，由于沿經(jīng)紗方向試件受載時(shí)局部發(fā)生比較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成承載能力降低。

5、沿緯紗方向是試件的主承力方向，試件呈現(xiàn)一種典型的破壞模式：材料受壓面為壓縮破壞，受拉面為拉伸破壞，破壞過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象；
　　 4.在橫向沖擊加載下多胞機(jī)織復(fù)合材料試件的極限載荷、能量吸收隨沖擊速度的增大而增大，且由于材料破壞的不同時(shí)性，導(dǎo)致載荷位移曲線的波動(dòng)。緯向試件的極限載荷和能量吸收明顯大于經(jīng)向，這也是由于沿經(jīng)紗方向試件承受沖擊載荷時(shí)局部發(fā)生比較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成其承載能力降低。沿緯紗方向是試件的主承力方向。

6、r>　　 5.建立基于三維多胞機(jī)織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的單胞模型，單胞模型由經(jīng)紗、緯紗和基體三部分組成，通過(guò)三維塑性勢(shì)函數(shù)導(dǎo)出表達(dá)材料本構(gòu)關(guān)系的彈塑性柔度矩陣；用最大應(yīng)力破壞準(zhǔn)則和臨界失效面積破壞準(zhǔn)則判斷單胞中基體和纖維束的失效。
　　 6.采用FORTRAN語(yǔ)言編制基于單胞模型的彈塑性本構(gòu)關(guān)系、最大應(yīng)力準(zhǔn)則和臨界失效面積準(zhǔn)則的用戶材料子程序VUMAT。材料失效分析時(shí)，單胞中基體失效分析采用Octahedral剪切原理和最大應(yīng)力準(zhǔn)

7、則，紗線失效分析采用臨界失效面積準(zhǔn)則。該子程序與商用有限元程序包ABAQUS/Explicit結(jié)合，計(jì)算三維多胞機(jī)織復(fù)合材料的橫向沖擊響應(yīng)和能量吸收。計(jì)算得到的載荷-位移曲線及最終失效模式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果間有較好的一致性，證實(shí)單胞模型和用戶材料子程序的可行性。通過(guò)有限元模擬可得到復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)和破壞過(guò)程細(xì)節(jié)。
　　 因?yàn)榻⒌膯伟Ｐ秃陀脩舨牧献映绦騐UMAT是由三維多胞機(jī)織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)，因此可擴(kuò)展到由三維多胞機(jī)織復(fù)合