機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)的多尺度關(guān)聯(lián)方法.pdf

1、與傳統(tǒng)層合復(fù)合材料相比,機(jī)織復(fù)合材料不僅保持了輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),更在改進(jìn)層間層內(nèi)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性和制造成本等方面具有巨大的潛力,近年來(lái),在航空航天、汽車(chē)、生物工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮機(jī)織復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì),必須首先了解其力學(xué)性能。然而,機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,導(dǎo)致其力學(xué)性能的預(yù)測(cè),尤其是強(qiáng)度預(yù)測(cè),成為一項(xiàng)困難而又富有挑戰(zhàn)性的工作。常規(guī)的計(jì)算方法可以歸納為參數(shù)傳遞式方法,即對(duì)纖維單絲尺度、纖維束尺度、單胞尺

2、度依次進(jìn)行分析。在每一級(jí)尺度下,都采用平均化的方法預(yù)測(cè)出材料的等效剛度和強(qiáng)度,并將計(jì)算結(jié)果輸出到下一級(jí)尺度。在宏觀載荷作用下,這類(lèi)方法只能得到機(jī)織復(fù)合材料平均化的宏觀力學(xué)性能,而無(wú)法同步獲取纖維束尺度及纖維單絲尺度下的局部應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng),故無(wú)法揭示機(jī)織復(fù)合材料的失效機(jī)理及破壞過(guò)程。
　　本文提出了一種用于預(yù)測(cè)機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的新方法——多尺度關(guān)聯(lián)方法。與傳統(tǒng)的參數(shù)傳遞式方法不同,多尺度關(guān)聯(lián)方法基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和均勻化理論,通過(guò)自下

3、向上均勻化方法和自上向下應(yīng)力分解方法,構(gòu)建了各級(jí)尺度間的關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)多尺度同步分析。該方法充分考慮了影響機(jī)織復(fù)合材料力學(xué)性能的眾多因素,如組分材料屬性、纖維體積含量、纖維束交織方式、纖維束卷曲幅度、編織角度及制造誤差等。在計(jì)算過(guò)程中,只需給出纖維和基體的材料屬性及編織構(gòu)型,無(wú)需測(cè)定纖維束或機(jī)織復(fù)合材料單層板的力學(xué)性能,這有利于減少試驗(yàn)量,為工程應(yīng)用提供了極大方便。多尺度關(guān)聯(lián)方法首先采用自下向上剛度均勻化方法,逐級(jí)預(yù)測(cè)出纖維單絲尺度、纖維束

4、尺度、單胞尺度下材料的等效剛度矩陣。此后,基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及均勻化理論,構(gòu)建了相鄰尺度間的多尺度應(yīng)力關(guān)聯(lián)矩陣。在任意載荷作用下,可根據(jù)多尺度應(yīng)力關(guān)聯(lián)矩陣將單胞所受載荷自上向下進(jìn)行分解,從而同步獲取單胞尺度、纖維束尺度、纖維單絲尺度下的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。在失效分析時(shí),充分考慮局部細(xì)觀組分的損傷狀態(tài),當(dāng)局部纖維或基體滿(mǎn)足各自強(qiáng)度準(zhǔn)則時(shí)認(rèn)為該層纖維束中的該組分材料破壞,并對(duì)失效的組分材料進(jìn)行相應(yīng)的剛度折減。最后,由此計(jì)算得到機(jī)織復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度

5、、初始失效及破壞過(guò)程。
　　本文采用多尺度關(guān)聯(lián)方法對(duì)三軸編織、平紋機(jī)織、斜紋機(jī)織和緞紋機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算,并進(jìn)一步預(yù)測(cè)了機(jī)織復(fù)合材料層壓板的剛度與強(qiáng)度。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可知,該多尺度關(guān)聯(lián)方法能夠準(zhǔn)確分析出試驗(yàn)過(guò)程中難以捕捉的失效機(jī)理和失效順序,所采用的剛度折減方法也與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。對(duì)于難度較大的強(qiáng)度預(yù)報(bào),本文雖然采用了最簡(jiǎn)便的細(xì)觀失效準(zhǔn)則,但仍然有著很高的計(jì)算精度,這充分驗(yàn)證了多尺度關(guān)聯(lián)方法的正確性與可行性。同時(shí),本