展宽机织复合材料细观有限元模拟及冲击损伤分析

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相比于传统的单向带复合材料,纺织类纤维增强复合材料由于其独特的起伏结构,宏观裂纹在树脂基体中没有明确的扩展路径和更优异的结构稳定性而被广泛用于航空和汽车工业。采用纤维束展宽工艺能使纤维丝束减薄,一方面可使材料中纱线的屈曲程度减小,提升了复合材料的力学性能;另一方面可增加复合材料层合结构厚度方向的可设计性,在同等厚度情况下,可设计更多的铺层。与传统的机织物复合材料失效理论的广泛研究相比,采用展宽纤维束后的薄层复合材料在冲击载荷下的失效机理和裂纹扩展机制还不明确。为此,本文提出了构建冲击载荷下的角铺层展宽机织复合材料细观分析模型,进而从多尺度分析的角度,研究复合材料的渐进损伤特征。首先,设计了纤维束展宽铺层形式为[(0/90)/((-45/45)/(0/90))4/(0/90)]s的平纹机织复合材料角铺层层合板,利用机织结构的几何形状建立了展宽机织复合材料的中尺度有限元模型,并利用超椭圆曲线方程描述了纤维束起伏特征;考虑到正斜交混合铺层存在情况下的机织复合材料整体RVE模型没有周期几何结构,生成了三种不同尺寸的代表体积单元(RVE)以用于确定最佳尺寸的单胞模型。之后建立了包含纤维束、纯基体和界面层的连续损伤模型,用于模拟各组分的渐进损伤行为。其次,针对角铺层机织复合材料进行了准静态拉伸及压缩试验,通过试验结果分析了机织复合材料的全局力学响应和断裂特征。并结合试验结果对三种不同尺寸胞元的有限元预测结果进行了RVE模型尺寸敏感性分析,确定了最佳尺寸的RVE模型,通过确定RVE模型的局部损伤行为和局部应力场分布来调查展宽机织复合材料的渐进损伤行为。结果表明拉伸载荷下基体损伤对全局应力-应变基本没有影响,拉伸破坏模式为纤维束断裂,而压缩破坏模式主要是由于纤维束断裂、基体开裂和分层损伤共同导致。最后,为了调查展宽机织复合材料的冲击损伤机制,建立了能够反映纤维束交织区域的波动特征的细观均匀化模型,该均匀化模型单胞尺寸与验证的细观模型一致。通过对比细观模型的全局力学响应、局部损伤特征和应变场验证了细观均匀化模型的准确性,验证的均匀化模型随后被拼接成平板以验证展宽机织复合材料的冲击失效行为。通过对比文献中的实验数据,所建立的多尺度分析模型,能有效反应出材料冲击载荷下纤维束断裂、基体裂纹扩展。
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