温度环境下三枚衬经斜纹2.5维编织复合材料的强度研究

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三维编织复合材料纤维束空间相互交织形成立体网状结构,克服了传统层合板易分层的致命弱点,具有比强度高、比模量大、抗冲击、性能可设计等优点,2.5维编织复合材料作为一种特殊结构的三维编织复合材料,其编织结构较传统三维编织复合材料简单,增强了材料的可设计性。本文对三枚衬经2.5维编织复合材料的力学性能进行研究,考虑内部细观结构建立了相应的通用几何模型,基于几何模型对材料的刚度性能与强度性能进行预测研究,主要研究工作如下:(1)开展了三枚衬经2.5维编织复合材料的静载拉伸试验研究,针对经向与纬向的试验件,分别开展23℃、150℃、223℃温度环境下的静拉伸试验,获得了材料在不同温度下的刚度值与强度值,分别对比研究了材料经向与纬向在不同温度下的应力-应变曲线,对材料在不同温度下的刚度与强度性能进行分析研究。(2)开展了三枚衬经2.5维编织复合材料的细观几何模型研究,利用显微光镜设备与XCT扫描系统对三枚衬经2.5维编织复合材料内部微细观结构进行观测统计,针对材料的标准编织工艺与实际结构尺寸对经纱曲段采用三角函数曲线进行模拟,对标准结构的纬纱截面采用圆形假设,经纱与衬经纱采用矩形假设;对考虑真实结构模型的纬纱截面采用双透镜假设,经纱与衬经纱截面采用矩形假设,分别建立了三枚衬经2.5维编织复合材料的标准单胞模型与几何拓扑模型。(3)开展了三枚衬经2.5维编织复合材料的损伤机理研究,利用SEM扫描电镜设备对三枚衬经2.5维编织复合材料在23℃、150℃、223℃下经向与纬向的拉伸断口的细观形貌进行观测,分析统计不同组分的损伤模式,通过增加放大倍数对单一组分的细观断裂形貌进行观测分析,将不同温度下组分材料的损伤模式进行了对比。(4)建立了三枚衬经2.5维编织复合材料的刚度预测模型,基于三种温度下相同组分材料不同纤维体积含量的T800/RE230R单向板的静载力学试验所得到的力学性能参数,采用双曲正弦函数进行非线性拟合,建立了适用于不同温度下纤维束力学性能预测模型。基于建立的三枚衬经2.5维编织复合材料单胞模型与拟合得到的纤维束力学性能参数,通过施加周期性边界条件,得到了不同温度下材料经向与纬向拉伸的刚度预测值与实验值进行对比分析,结果表明基于几何拓扑模型的刚度预测较基于标准模型的预测值误差更小。(5)建立了三枚衬经2.5维编织复合材料的强度预测模型与损伤扩展预测模型,基于所建立的三枚衬经2.5维编织复合材料几何拓扑模型与刚度预测模型,通过编写渐进损伤有限元分析程序,对材料在23℃、150℃、223℃下经向与纬向的强度性能与损伤扩展过程进行预测模拟,将预测的强度值与实验结果进行对比结果表明基于本文建立的强度模型预测结果与实验结果误差均在15%以内,同时将最终断口的细观形貌与断裂应变处的损伤模拟进行了对比验证,证明了本文所建立的损伤扩展模型合理性。
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