一种改进的基于两单胞模型的三维角联锁机织复合材料弹性性能数值预测方法及实验验证

为准确预测三维角联锁机织复合材料的宏观弹性性能,对基于CT图像几何参数实测数据建立的内单胞和面单胞细观实体模型进行数值分析,其中面单胞模型采用组合面单胞形式,并开展了三维角联锁机织超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维/聚氨酯复合材料的经向拉伸实验。结果表明:基于两单胞模型预测该复合材料的宏观弹性模量与实验结果吻合较好,组合面单胞的经向拉伸模量小于内单胞;经向拉伸时复合材料在经纱间接触面处、纬纱沿宽度方向的端部和经纱与基体的交界面处易出现应力集中现象;当纬纱层数小于30层时,应该考虑表面区域对复合材料整体力学性能的影响。      

三维正交机织复合材料的动态压缩性能

本文作者利用分离式Hopkinson压杆装置对玻璃纤维三维正交机织复合材料进行了高应变率下面外、面内方向的压缩试验,并在万能试验机下进行了相应的准静态压缩。获得3 个高应变率及准静态下的应力-应变曲线,观察了试样的破坏形貌。结果表明：玻纤三维正交机织复合材料是应变率敏感材料,最大应力、压缩模量随着应变率的增大而增大。三维正交结构使复合材料体现出各向异性：面外的最大应力、失效应变比面内大;面内的压缩模量大于面外,且压缩模量对于应变率的变化比面外方向敏感;经纬向相比,纬向的最大应力大于经向。     

三维正交机织复合材料厚向压缩性能试验研究

采用方柱形试样对UHMWPE/乙烯基酯三维正交机织复合材料进行了压缩试验。研究了该类材料的厚向压缩强度和压缩模量与z向增强纤维细度的关系,并讨论了材料的压缩破坏失效模式。结果表明:z向增强纤维细度的增加导致材料厚向压缩性能的下降。降低z向增强纤维束的细度,有利于提高材料厚向抗压性能。三维正交机织复合材料的压缩破坏具有塑性特征。三维正交机织复合材料主要的破坏模式是z向纤维在试样表面的应力集中、纤维束的剥离和剪切破坏。     

三维机织结构的几何模型

根据三维机织结构中纱线系统的组成和相应纱线的几何形态,建立了具有普适意义的几何模型,获得了组成三维机织结构各纱线系统在一个结构单元内的纱线长度和取向角,进而计算出纤维体积分数。随后,选择了基于11种不同接结组织的三维机织复合材料试样,测试了试样的纤维体积分数,所得的测试结果与模型输出的预测值有很好的一致性。利用所建立的模型还定量讨论了接结组织对纤维体积分数和取向角的影响。结果表明:分层接结可以提供比正交接结高的纤维体积分数;而正交接结中接结经具有较大的取向,有利于增强三维机织复合材料在厚度方向上的力学性能。     

三维机织复合材料力学性能的各向异性

通过一系列的实验、分析, 客观地评价了4 种不同结构碳/ 环氧3D 层-层正交角联锁机织复合材料沿0°、30°、45°、60°、90°方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量。实验结果表明: 三维机织角联锁复合材料属正交各向异性材料, 各个方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量曲线呈枫叶形, 具有明显的双主轴特性; 4 种不同结构复合材料的各向异性力学性能有差异, 经向力学性能以带衬经的角联锁结构为最佳, 而纬向力学性能以纬密大的角联锁结构为最佳; 三维机织角联锁复合材料具有很强的性能可设计性, 正确选择纤维原料、纤维细度、三维预制件的组织结构和各个纱线组分的排列密度, 即可达到预期的性能指标要求。      

碳/碳缎纹机织复合材料弹性性能数值模拟

针对碳/碳八枚五飞缎纹机织复合材料的数值模拟工作,在保证精度的前提条件下为提高计算效率,基于该复合材料的细观结构,采用通用单胞模型模拟其弹性性能。将该方法和矩形单胞模拟计算方法进行比较,结果表明,两种方法的计算结果相近,但是通用单胞模型可以减小建模工作量,降低网格划分的难度,提高计算效率,是一种较为合理高效的建模分析方法。此外,该建模分析方法也可用于其他缎纹机织复合材料的力学性能分析。     

三维正交机织物参数对纤维体积含量的影响

三维机织物设计的一个目标是满足要求的纤维体积含量。通过分析三维正交机织物单元体的结构,可以计算经纱、纬纱和捆绑纱的截面尺寸,建立纤维体积含量与织物参数间的关系。实际制织了一块6层经纱、5层纬纱的玻璃纤维三维正交机织布,测试了经纱、纬纱、捆绑纱以及织物的纤维体积含量,并与理论计算值进行了对比,分析了产生误差的原因。最后,分析了织物参数对纤维体积含量的影响,发现经纬纱粗度比的增大或间距比的减小,将使经纱和织物的纤维体积含量增大,纬纱的纤维体积含量减小;捆绑纱的引入,降低了经纱、纬纱和织物的纤维体积含量。      

三维机织复合材料多尺度黏弹性分析

建立了一种三维机织复合材料多尺度的黏弹性分析模型。首先构造了微观尺度纱线束胞元和细观尺度复合材料周期结构胞元两级有限元模型, 由微观尺度胞元分析得到纱线束的弹性常数, 再代入细观尺度胞元计算出复合材料的平均弹性常数。两级胞元模型均施加周期边界条件, 保证了胞元边界上位移和应力满足周期性和连续性。随后分别建立了树脂基体和浸润树脂纱线束的蠕变模型, 用实验标定树脂的蠕变参数, 代入微观尺度胞元进行蠕变计算来修正纱线束蠕变模型的参数。最后将树脂和纱线束的蠕变本构关系应用于细观尺度胞元, 得到材料宏观平均的应力-应变响应, 模拟了三维机织复合材料的蠕变实验曲线。本文模型对于该种复合材料弹性常数和蠕变性能的预测, 均与实验吻合。      

三维机织复合材料的一种梁单元细观力学模型

根据三维机织复合材料中纤维束排列和变形的周期性特点,推导了一种细观梁单元模型。该模型考虑了纤维束的拉 (压) 弯耦合效应和纤维束之间的相互作用,可以描述纤维束和基体中的细观应力分布,并得到宏观的力学性能。针对一种典型的三维机织复合材料,首先根据编织参数,确定其细观几何结构,取最小周期的一段纤维束作为分析胞元,用上述细观梁单元分析了该段纤维束在面内拉伸荷载下的细观应力分布,计算出平均模量, 并用材料试验和细观实体有限元对本模型进行了检验,结果与本文的预测吻合良好。研究表明,拉、弯耦合效应引起的纤维束中的细观弯曲应力同平均轴向应力相比,不可忽略。      

三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料高温老化后低速冲击性质

研究了三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料在180℃高温环境下老化不同时间后的低速冲击力学性能,测试得到了不同老化时间的试样在低速冲击过程中的载荷-位移曲线。研究发现:随着老化时间增加,三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料能承受的最大载荷下降,位移逐渐增加,载荷-位移曲线斜率逐渐下降;随着冲击能量增加,老化条件相同的三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样最大承受载荷增大,位移和曲线斜率增加。对高温老化后三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样进行SEM观察,发现纤维与树脂基体脱粘有裂纹产生,且裂纹数目和面积随着老化时间延长而增加。      

二维编织C/SiC复合材料非线性损伤本构模型与应用

基于二维编织C/SiC复合材料的基本力学性能试验, 建立了该材料的宏观正交各向异性非线性损伤本构模型。模型中以可检测的应变作为变量, 采用形式简单的函数分别描述了单轴拉伸和剪切加载下的材料损伤演变下的应力-应变关系, 以及卸载状态的刚度变化规律。同时, 考虑了材料的单边效应以及拉压应力状态转换时的损伤钝化行为。将此本构模型编写成UMAT子程序并引入ABAQUS有限元软件, 可以完整描述该材料的加载非线性和卸载线性的应力-应变关系特征, 及其加卸载历史。通过对带孔板的拉伸模拟, 孔边应变分布与试验结果吻合较好, 验证了本构模型的有效性。     

三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料动态力学性能的实验和理论研究

通过实验系统研究了三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料厚度方向和面内方向的动、 静态压缩力学性能。结果表明, 动、 静态压缩载荷作用下该材料响应表现出明显的各向异性、 非线性和应变率敏感性。针对三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料高速变形过程中不同形式的内部缺陷和微损伤的演化, 提出了一个依赖应变、 应变率的宏观损伤量, 建立了一种含损伤的非线性黏弹性本构模型。采用数据处理方法拟合了其本构方程材料参数, 在加载过程中, 模型计算值与实验结果吻合较好。     

Analytical elastic stiffness model for 3D woven orthogonal interlock composites

This research presents the development of an analytical model to predict the elastic stiffness performance of orthogonal interlock bound 3D woven composites as a consequence of altering the weaving parameters and constituent material types.     

Quasi-static tensile behavior and damage of carbon/epoxy composite reinforced with 3D non-crimp orthogonal woven fabric

This paper presents a comprehensive experimental study and detailed mechanistic interpretations of the tensile behavior of one representative 3D non-crimp orthogonal woven (3DNCOW) carbon/epoxy composite. The composite is tested under uniaxial in-plane tensile loading in the warp, fill and ±45° bias directions. An “S-shape” nonlinearity observed in the stress–strain curves is explained by the concurrent contributions of inherent carbon fiber stiffening (“non-Hookean behavior”), fiber straightening, and gradual damage accumulation. Several approaches to the determination of a single-value Young’s modulus from a significantly nonlinear stress–strain curve are discussed and the best approach recommended. Also, issues related to the experimental determination of effective Poisson’s ratios for this class of composites are discussed, and their possible resolution suggested. The observed experimental values of the warp- and fill-directional tensile strengths are much higher than those typically obtained for 3D interlock weave carbon/epoxy composites while the nonlinear material behavior observed for the ±45°-directional tensile loading is in a qualitative agreement with the earlier results for other textile composites. Results of the damage initiation and progression, monitoried by means of acoustic emission, full-field strain optical measurements, X-rays and optical microscopy, are illustrated and discussed in detail. The damage modes at different stages of the increasing tensile loading are analyzed, and the principal progressive damage mechanisms identified, including the characteristic crack patterns developed at each damage stage. It is concluded that significant damage initiation of the present material occurs in the same strain range as in traditional cross-ply laminates, while respective strain range for other previously studied carbon/epoxy textile composites is significantly lower. Overall the revealed advantages in stiffness, strength and progressive damage behavior of the studied composite are mainly attributed to the absence of crimp and only minimal fiber waviness in the reinforcing 3DNCOW preform.     

三维机织复合材料结构表征与实体造型

利用经纱脉络描述法解决了任意三维机织复合材料的结构表征问题;提出了单胞分解法与亚胞向量概念,实现了三维结构的二维化、数字化,根据数字表征结果和经典截面假设构造了初始断裂模型;使用一种迭代算法对初始断裂模型进行优化,使纱线束逐步逼近真实形态,进而实现三维实体造型,在此基础上进行网格剖分。研究结果表明,迭代算法能够使纱线形态趋于自然,使造型结果接近实际。数值分析结果表明,迭代算法中的经纬纱退让系数介于0.6～0.7之间时,迭代收敛速度最快。     

三维正交机织复合材料低周弯曲疲劳力学性能有限元模拟

为了深入理解三维正交机织复合材料（3DOWC）疲劳性能,改进材料抗疲劳设计,结合三维正交机织复合材料试样经纱方向准静态三点弯曲及60%应力水平下的三点弯曲疲劳实验与ABAQUS有限元软件,构建了全尺寸三维实体模型,研究了三维正交机织复合材料在低周循环载荷下的弯曲疲劳性能,经分析得到循环加载下模型应力分布情况和疲劳损伤形态。结果表明：经纱为材料最重要的承载部件,中间加载区域为材料应力集中区,损伤主要位于应力集中区的Z纱通道处的经纱上,随着循环增加,逐渐在中心加载区域的上部和下部形成三角形损伤区域,该研究在复合材料设计与优化中具有指导意义。