三维编织C/C复合材料断裂行为研究

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编织C/C复合材料综合了碳纤维和编织复合材料的优异力学性能,不仅具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐烧蚀等优良特性,还大大提高了沿厚度方向的力学性能,在结构上具有高度的整体性。因此,C/C复合材料广泛的应用在工业领域和生物医学领域。由于在材料的制备和使用过程中会产生微裂纹,微孔洞等细观缺陷,在外载的作用下,这些缺陷进一步发展成为宏观裂纹,在损伤达到一定容限后破坏。因此研究三维编织复合材料在使用和服役过程中的断裂损伤和失效是十分必要和迫切的,从而为三维编织复合材料的工程应用提供理论基础。本文以三维编织C/C复合材料为研究对象,综合利用断裂实验和数值分析的方法从宏观的角度对材料的断裂破坏过程进行理论分析和数值模拟研究。主要开展了研究工作如下:首先,对三维编织C/C复合材料的断裂行为进行实验研究,通过弯曲强度实验考察了切口深度对材料的影响。利用两种不同的计算C/C复合材料的断裂韧性公式得到的断裂韧性值相差较大,说明使用K IC来表征三维编织C/C复合材料的断裂特性具有一定的局限性。为了更加直观的研究三维编织C/C复合材料断裂破坏的损伤失效过程,采用了柔度标定的方法结合三点弯曲循环加载实验获得材料的裂纹扩展阻力曲线(R曲线)。该曲线反映了材料的损伤演化过程。其次,针对三维编织C/C复合材料结构的复杂性以及材料非线性,若考虑单胞结构则十分困难,而且在断裂失效的过程中裂纹的扩展路径是不规则的。采用离散内聚力模型能够很好的解决材料的非线性问题。在数值分析的过程中把编织复合材料等效为弹性正交均匀材料,然后通过断裂试验得到应变能释放率与裂纹扩展长度之间的函数关系并把这一关系嵌入到UEL子程序中,通过和ABAQUS Document中的算例结果相比较验证了用户自定义单元子程序的正确性。然后利用ABAQUS结合已开发的子程序对三点弯曲实验进行数值模拟,为实现三维编织C/C复合材料断裂过程的破坏分析提供了计算依据。
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