基于局部均勾化的平纹和斜纹编织复合材料低速冲击性能多尺度研究

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平纹和斜纹编织复合材料在低能量冲击载荷下其内部结构会遭到破坏,从而对材料的整体性能产生消极影响。并且,平纹和斜纹结构由于具有不同的纤维束相互交织方式,因此在受到相同载荷作用下时所展现出的性能也会有所差异,加之平纹和斜纹编织复合材料内部构造繁杂,单一尺度的模型难以充分描叙其损伤失效行为。所以本文构建了囊括微观、细观和宏观的多尺度框架来探究平纹和斜纹编织复合材料低速冲击性能。微观尺度上构建了六方分布的基体-纤维单胞模型,探讨了模型在六种位移载荷下的各组分损伤演化过程、单胞整体应力-应变响应和基体损伤率的变化,并将预测出的纤维束等效性能和公式法计算出的数值做了比较和分析。在细观尺度上建立了平纹和斜纹在细观单胞模型,研究了平纹和斜纹细观单胞在经向拉压、面内和面外剪切作用下的损伤扩展情况、宏观上的应力-应变曲线和各组分的损伤率,并通过实验的方式对二者的细观单胞模型作了验证。最后,通过局部均匀化的方式将平纹和斜纹的细观模型转化成了各自的ECPL(Equivalent cross-ply laminate,等效交叉层合板)模型,并分析和比较了二者ECPL模型中的等效性能参数。随后将平纹和斜纹的ECPL模型扩展成了宏观低速冲击模型,该模型与整体均匀化模型相比保留了平纹和斜纹的编织结构特点,接着编写VUMAT子程序实现宏观模型在不同冲击能量下的有限元仿真,通过组建落锤低速冲击实验平台对宏观模型的可行性进行了验证,并对二者在不同冲击能量下的冲击响应做了分析和比较,同时还探究了宏观模型受冲击下的各层损伤情况。最终的分析和比较结果显示:斜纹经向等效层的纵向失效强度与面内剪切强度都要高于平纹经向等效层,而二者的横向强度与面外剪切强度则相近。当冲击能量渐渐增加后,冲击损伤形貌由一字形向十字形变化,斜纹编织复合材料在5J和7J冲击能量下的冲击力峰值、吸收能量和分层损伤都要高于平纹编织复合材料。宏观模型有限元结果中越靠近冲击背面的单层,其产生的纤维拉伸和基体拉伸损伤单元数量越多,而越靠近冲击正面的单层,其基体压缩单元数量越多。
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