三維正交機織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)低周疲勞多尺度力學(xué)響應(yīng)與損傷分析

1、三維正交機織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài) / 低周疲勞多尺度力學(xué)響應(yīng)與損傷分析與傳統(tǒng)層合板復(fù)合材料相比 , 三維正交機織物復(fù)合材料具有有效層間分層阻 抗、顯著斷裂韌性、較高面內(nèi)強度和損傷容限。在輕質(zhì)飛行器、艦艇和高速車輛 等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力。本文旨在進行三維正交機織物復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài) / 循環(huán)拉伸循環(huán)載荷下力學(xué)響 應(yīng)與損傷機理多尺度有限元分析。本文研究思路如下： (1) 將三維正交玻璃纖維 機織物和不飽和樹脂在室溫下采用 VARTM成型技術(shù)加工成三維正交機織物復(fù)合 材料；(2)依據(jù)纖維束(經(jīng)紗、緯紗和Z紗)體系結(jié)構(gòu)、纖維等體積含量原則和周 期性邊界條件 , 建立細(xì)觀 / 中觀/ 宏觀跨尺度幾何單胞模型；

2、(3) 以幾何單胞模型和 其內(nèi)纖維 / 基體性質(zhì)為起點 , 用 Fortran90 語言編寫含有裂紋生成和損傷演化及 交換準(zhǔn)則多尺度用戶定義材料子程序 (User-defined material subroutine, UMAT);(4)將用戶定義子程序(UMAT導(dǎo)入商用有限元軟件 ABAQUS/Standard分別 計算準(zhǔn)靜態(tài)/循環(huán)拉-拉循環(huán)載荷力學(xué)響應(yīng)和損傷演化；(5) 對比分析預(yù)測和實驗結(jié)果, 二者比較吻合；此外, 該多尺度材料破壞失效和循環(huán)加載行為預(yù)測子程序模 型適應(yīng)性和可靠性還需進一步試驗驗證 , 尤其是復(fù)合材料復(fù)雜異形構(gòu)件多軸向 / 循環(huán)載荷加載。論文主要工作有： (1) 準(zhǔn)靜態(tài)

3、拉伸和三點彎曲測試：測試其準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和三 點彎曲性能 ,獲取其載荷 -撓度曲線、 最大強度、 損傷和斷裂形貌等特征； 初步分 析準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和三點彎曲加載方式試樣力學(xué)響應(yīng)特征和損傷失效機制； (2) 循環(huán) 拉伸疲勞測試：在應(yīng)變控制加載下,用MTS-810試驗機測定啞鈴形狀試樣循環(huán)拉 伸疲勞力學(xué)響應(yīng)和損傷演化過程。 根據(jù)不同應(yīng)變水平下一定周期載荷后局部損傷 分布和特征分析試樣疲勞損傷機制； (3) 多尺度幾何單胞模型：三維正交機織物 復(fù)合材料面內(nèi)呈周期性分布，依據(jù)其經(jīng)緯紗密度、纖維束層數(shù)和 Z向厚度等尺寸 參數(shù)和纖維束交織結(jié)構(gòu)形態(tài) , 首先 , 建構(gòu)含有樹脂基體纖維束層次中觀單胞幾何 模型(Mes

4、o-RUC);其次，根據(jù)試驗試樣和多尺度單.胞幾何模型中纖維等體積原則 建立僅含有纖維和基體兩相組分細(xì)觀單胞幾何模型 (Micro-RUC), 其中單纖維在 樹脂基體中呈正六邊形周期性分布； 為充分研究三維正交機織物復(fù)合材料表而和 內(nèi)部區(qū)域內(nèi)在結(jié)構(gòu)差異 ,因其經(jīng)緯紗系統(tǒng)在內(nèi)部區(qū)域沿厚度方向周期性排列 ,分 別提取內(nèi)層單胞幾何模型 (Inner meso-RUC) 和表層單胞幾何模型 (Surface meso-RUC。)最后 , 建立宏觀層次試樣模型 (Macro-scale beam), 宏觀尺度模型在有限元 分割時其單元厚度分別對應(yīng)于內(nèi)層單胞與表層單胞厚度尺寸 ,試樣和模型沿厚度 方向經(jīng)緯

5、紗線層數(shù)相同。采用主 -從節(jié)點技術(shù)將周期性邊界條件 (Periodic boundary conditions,PBCs)分別應(yīng)用到細(xì)觀/中觀單胞幾何模型； 多尺度準(zhǔn)靜態(tài)用戶定義子程序材料模型(UMATs):根據(jù)多尺度幾何單胞及對應(yīng)組分材料屬 性, 用 Fortran90 語言編寫含有彌散裂紋 (Smear crack) 、損傷演化 (Post-damage constitutive model) 和損傷球面加載 / 卸載交換準(zhǔn)則 (Switch rule) 多尺度彈性 和粘彈性本構(gòu)關(guān)系用戶定義子程序 (UMAT)。在細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型中 (僅含有纖維和樹脂基體 ), 分別編寫最大主應(yīng)力 /應(yīng)變彌

6、散裂紋失效各向同性和非線性粘彈性本構(gòu)關(guān)系用戶定義子程序(UMAT),基于纖維/基體性質(zhì)和細(xì)觀單胞 (Micro-RUC), 在主節(jié)點獨立施加正應(yīng)變 /剪應(yīng)變載荷,分析 細(xì)觀單胞模型力學(xué)響應(yīng)和損傷演化；在中觀結(jié)構(gòu)模型中(Meso-RUC僅含有浸潤基 體纖維束 (對應(yīng)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型 )和純樹脂 (填充于纖維束之間 )兩相組份 ), 纖維束被定義為軸向和橫向最大強度彌散裂紋獨立失效 ( 最大強度來自上一尺度單胞軸 向和橫向強度值 )橫觀各向同性材料模型 , 樹脂基體被定義為各向同性或非線性 粘彈性最大主應(yīng)變失效模型。最后 , 基于內(nèi)層 / 表層單胞力學(xué)參數(shù)和失效強度 ,編 寫基于正應(yīng)力最大強度彌散裂紋

7、獨立失效 (表層/ 內(nèi)層單元最大失效強度來自上 一尺度單胞正向強度值)正交各向異性彈性本構(gòu)關(guān)系子程序(UMAT),預(yù)測長條試 樣宏觀模型三點彎曲力學(xué)行為和損傷； (5) 多尺度循環(huán)加載行為預(yù)測用戶定義子 程序材料模型(UMAT):根據(jù)上述多尺度準(zhǔn)靜態(tài)用戶定義子程序材料模型，將表征 加載/ 卸載條件轉(zhuǎn)換規(guī)則 (Switch rule) 導(dǎo)入粘彈性本構(gòu)關(guān)系子程序； 沿用上述多 尺度單胞模型力學(xué)參數(shù)和失效強度傳遞機制：纖維/基體一細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型一中觀結(jié)構(gòu)模型宏觀結(jié)構(gòu)模型。預(yù)測循環(huán)加載載荷下多尺度單胞力學(xué)行為和裂紋生成與損傷演化； (6) 驗證 上述多尺度單胞幾何模型和材料模型可行性和適應(yīng)性： 將上述多尺度用戶定義子 程序材料模型(UMATs)導(dǎo)入多尺度單胞幾何模型并在商用有限元軟件 ABAQUS/Standard運行；模擬三維正交機織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸、準(zhǔn)靜態(tài)彎曲和 拉伸疲勞力學(xué)行為和裂紋損傷過程 , 其預(yù)測結(jié)果得到試驗結(jié)果驗證