二步法三维编织复合材料动态压缩力学性能研究

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三维编织复合材料是指采用了三维编织技术,使其纤维增强结构在空间上呈网状分布,加上形状可以定制的基体,经过一定的成型工艺制成的浑然一体的材料。与传统的复合材料相比,其具有可设计性、高比强度和高比模量等优点,还具有高损伤容限和断裂韧性以及耐冲击、不分层、抗开裂和耐疲劳等特点,因而被广泛运用航空航天和交通运输等领域。该材料在生产和应用过程中经常受到外来载荷的冲击从而产生损伤乃至失效。因此研究冲击载荷下二步法三维编织复合材料及其环氧树脂的力学响应就变得十分重要。本文采用实验和数值模拟相结合的方法,对考虑不同编织角的二步法编织复合材料动态压缩力学性能进行研究。  本文在研究编织纤维和环氧树脂的高速碰撞响应基础上,用物质点法对编织复合材料的基体成份环氧树脂进行细观建模,将响应的结果与试验的结果进行对比,总结了响应的规律。其主要工作如下:  首先,本文通过分析三维编织复合材料的二步法编织方式,对编织纱和轴纱的横截面外形进行简化表达,总结出了计算编织件外形尺寸、编织角和纤维体积含量的计算公式,并与实测结果进行比较。  其次,文章研究了不同编织角和节距的复合材料在不同冲击载荷下的响应开展了实验研究。通过采用分离式霍普金森压杆(SHPB)对三组不同编织角的复合材料进行了横向动态压缩实验,研究了应变率、编织角和节距对复合材料抗冲击性能的影响,结果表明该材料为应变率敏感材料,编织角对该材料的抗冲击能有一定影响,但也受到应变率的影响。  最后,运用物质点建立的三维编织复合材料的基体环氧树脂的细观模型,模拟了环氧树脂在冲击载荷作用下的力学响应,并将数值结果和实验结果比较,验证了该数值模型的可靠性,同时证明了环氧树脂也是应变率敏感材料,二步法编织复合材料的主要应变率效应来自于其树脂。
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