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三维编织复合材料具有优异的损伤容限性能,在航空航天、国防军工和交通运输等诸多领域具有广泛的应用。对复合材料开孔缺陷的包容能力是工程设计中,尤其是飞行器设计中需要考虑的重要损伤容限设计准则之一。本文基于开孔三维编织复合材料的拉伸、压缩和拉/拉疲劳试验,研究开孔三维编织复合材料的力学性能和在循环载荷下的疲劳寿命,基于三维编织材料单胞模型,建立材料刚度、强度和疲劳预测模型,对开孔三维编织复合材料强度和疲劳寿命进行预测。本文的研究工作主要有:(1)对两种三维编织结构复合材料的拉伸和压缩载荷下力学性能进行试验研究。一种为完全编织结构,一种为含42%轴向纱的编织结构。研究开孔对两种结构的复合材料力学性能的影响,以及开孔试件在拉伸和压缩载荷下失效过程。采用3D-DIC(三维数字散斑测量技术)非接触式测量方式测量开孔试件应力集中系数,观察开孔后应变再分布及失效机理。研究表明,完全编织结构复合材料具有更优异的力学性能。(2)对采用行列式四步法编织工艺的三维编织单胞进行几何建模,分别研究纱线的面内和空间运动轨迹,建立试件的单胞模型。采用Hypermesh对建立的单胞模型划分周期性网格,编写Python子程序,在ABAQUS平台对单胞施加周期性边界条件,对三维编织单胞进行均质化分析。结果表明,细观尺度模型可以较好地预测三维编织复合材料宏观力学性能参数。(3)基于ABAQUS/Standard有限元平台和UMAT用户子程序,引入TsaiWu等强度准则和材料降解准则,采用内聚力双线性模型和B-K界面失效准则来模拟单胞内界面相力学行为,建立三维编织复合材料剪切损伤和拉伸损伤分析模型,分析单胞内基体、纤维束和界面的损伤演化机理。研究表明,细观尺度模型可以很好地预测三维编织复合材料的剪切强度和拉伸强度。(4)基于宏观和中观尺度,建立开孔三维编织复合材料单向拉伸载荷下损伤演化和强度预测模型。宏观尺度模型基于细观尺度模型所预测的三维编织复合材料的性能参数,采用ABAQUS/Standard有限元平台和UMAT用户子程序,引入Larco2等强度准则和材料降解准则,在宏观尺度上分析了开孔三维编织复合材料的损伤机理和拉伸强度;中观尺度模型基于ABAQUS/Explict平台和VUMAT用户子程序,引入零厚度界面相、Hashin强度准则和材料损伤演化模型,在中观尺度上分析了开孔三维编织复合材料基体、纤维束和界面相损伤演化规律,预测了材料强度。结果表明,两种尺度模型均可以预测开孔三维编织复合材料的强度和失效机理。(5)基于Lekhnitskii正交各向异性理论,对开孔三维编织复合材料的孔周边应力分布和应力集中系数进行分析,将理论分析结果与有限元和DIC测试结果进行对比;基于Whitney传统开孔板PSC和ASC强度预测模型对开孔三维编织复合材料强度进行预测。结果表明,数值模型与试验结果较为吻合,PSC强度准则可以更加准确的预测开孔三维编织复合材料的强度。(6)对两种编织结构的开孔和无开孔三维编织复合材料的疲劳寿命进行实验研究,并观察疲劳试件的断裂形态。实验结果表明,完全编织结构复合材料具有更优异的开孔和无开孔疲劳性能,且在疲劳失效时具有更少的损伤面积和断裂裂纹。引入循环载荷下界面相双线性模型,采用多轴疲劳强度准则作为纤维束和基体在疲劳载荷下失效判定准则,建立基于细观尺度下三维编织材料疲劳性能分析方法和疲劳寿命预测模型。采用细观尺度下三维编织复合材料疲劳寿命和材料性能参数,根据动态断裂理论,建立开孔三维编织复合材料宏观尺度下疲劳寿命预测模型。研究表明,所建立的宏观尺度模型可用于开孔三维编织复合材料疲劳寿命预测。