碳纤维编织物各向异性超弹性本构建模及成形仿真研究

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碳纤维编织物是一种高性能的编织复合材料增强体,其具有比强度比模量高、耐高温耐腐蚀、可设计性强和抗疲劳性能好等优点,广泛应用于航天航空、国防军工和风能发电等领域。在此背景下,深入研究碳纤维编织物的冲压成形力学行为具有重大的理论意义和工程应用价值。本文采用理论分析、实验研究和数值仿真相结合的方法,围绕力学本构和成形仿真对碳纤维编织物的冲压成形展开系统研究。主要研究内容及结论如下:(1)基于宏观力学理论,对平纹碳纤维编织物进行了单轴拉伸、双轴拉伸、偏轴拉伸和镜框剪切试验。试验结果表明:碳纤维编织物具有高度的非线性和各向异性力学特性,同时具有双拉耦合效应,即经线(纬线)方向的力学行为会影响纬线(经线)方向的力学行为。(2)基于连续介质力学理论,提出了一种考虑双拉耦合作用的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型。该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的纤维拉伸变形能、双拉耦合效应引起的挤压变形能和纤维间角度变化产生的剪切变形能三部分。给出了模型参数的确定方法,并通过拟合单轴拉伸、双轴拉伸和镜框剪切试验数据,得到了本构模型参数。(3)基于ABAQUS/Standard模块,利用Fortran语言编写了一套用户自定义材料子程序UANISOHYPER_INV。采用该模型对国际标准试题双球冲压成形进行了数值仿真,并将模拟结果和未考虑纤维双拉耦合模型的模拟结果分别与实验结果对比分析,验证了所提出的各向异性超弹性模型能更好地表征复合材料编织物在成形过程中由于大变形所引起的非线性和各向异性力学行为。(4)围绕纤维剪切角分布和边界纤维缩进量,对碳纤维编织物进行了方盒冲压成形实验和成形仿真。研究表明:剪切变形是成形过程中的主要变形模式,当剪切角达到“零界锁死角”时,编织物发生局部起皱和折叠现象。(5)本文所提出的考虑双拉耦合作用的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型具有简单实用、材料参数容易确定的优点,为编织复合材料成形的数值模拟和成形工艺优化奠定了基础。
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