多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料低速沖擊性能研究

多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料低速沖擊性能研究多軸向經(jīng)編復(fù)合材料(MWKC),是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的重要類型之一,近年來受到了越來越廣泛的關(guān)注。其增強(qiáng)結(jié)構(gòu)——多軸向經(jīng)編織物(MWK)是典型的無屈曲結(jié)構(gòu),紗層軸向?qū)ΨQ,取向性強(qiáng),可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。由于其紗層無交結(jié),因此,與傳統(tǒng)機(jī)織或編織復(fù)合材料相比,極大程度地避免了紗線交結(jié)部位的樹脂聚集區(qū)的出現(xiàn),同時(shí),MWK具有良好的樹脂導(dǎo)流性和浸潤性,成型性能優(yōu)異,可制備超薄、超厚的平面或曲面復(fù)合材料。在多軸向經(jīng)編復(fù)合材料的實(shí)際生產(chǎn)、裝配、運(yùn)輸、使用和維修過程中,通常會不可避免地遇到例如工具掉落、碎石飛濺、接觸撞擊等低速沖擊事件。而且,該材料在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域里多以曲面部件的形式存在。因此,研究多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料在低速率沖擊作用下的損傷機(jī)理具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義,同時(shí)也是本課題的研究重點(diǎn)。課題通過實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,采用準(zhǔn)靜態(tài)沖擊性能和低速沖擊性能協(xié)同研究的方式,揭示多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料的低速沖擊損傷機(jī)理。從增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能、復(fù)合材料性能和應(yīng)用驗(yàn)證實(shí)例等多個(gè)方面對多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料的低速沖擊性能進(jìn)行全面而深入的探究。(1)本課題對多軸向經(jīng)編增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的拉伸和撕裂性能進(jìn)行測試,并分析捆綁紗和軸向紗兩個(gè)紗線系統(tǒng)在受力之后出現(xiàn)的位移和損傷。研究表明,MWK主要的失效形式表現(xiàn)為:捆綁紗斷裂、絲束斷裂、紗層或絲束位移。由于捆綁紗的編織方向與0o紗層一致,在其斷裂之前,通常與0o軸向紗層共同承載應(yīng)力,但因其紗線強(qiáng)度低于軸向絲束,導(dǎo)致捆綁紗通常先于軸向絲束斷裂,失去對軸向紗的約束,為絲束的位移制造條件。在拉伸和撕裂測試中,紗層中的絲束通過位移改變各軸向間的夾角,以實(shí)現(xiàn)其力學(xué)貢獻(xiàn)。對于多軸向經(jīng)編增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的研究,為后續(xù)的多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料的低速沖擊損傷機(jī)理分析奠定了一定的基礎(chǔ)。(2)采用準(zhǔn)靜態(tài)沖擊和低速沖擊相結(jié)合的研究方式,對不同曲率和不同鋪層結(jié)構(gòu)的多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料的破壞形式和損傷演化進(jìn)行研究。通過總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)該材料的主要損傷形式包括:基體開裂、紗線斷裂、纖維抽拔、層間分層和絲束脫粘等。同時(shí),把“階段分析法”引入到多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料的低速沖擊性能分析中,將損傷過程分為三個(gè)主要階段,探討材料的損傷形式和損傷演化過程,分析曲率與材料強(qiáng)度、材料剛度等重要性能之間的關(guān)系,并揭示鋪層結(jié)構(gòu)與材料內(nèi)部應(yīng)力傳播、破壞形式和能量吸收之間的聯(lián)系。此外,還針對多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)和低速沖擊過程進(jìn)行數(shù)值模擬,通過分析,討論該類材料在受到準(zhǔn)靜態(tài)和低速沖擊時(shí)的應(yīng)力分布和能量吸收性能,通過實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合,對該材料進(jìn)行力學(xué)性能評價(jià),為該類材料的應(yīng)用提供理論依據(jù)。(3)將本研究中的CurvatureC(kC)曲率應(yīng)用在乘用車車門的沖擊區(qū)域設(shè)計(jì)中,進(jìn)行幾何建模,并將多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料的材料屬性定義于車門模型上,對車門的低速碰撞進(jìn)行有限元模擬,另外,將傳統(tǒng)SAPH440鋼車門的低速碰撞性能作為對比項(xiàng),分析多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料車門的優(yōu)勢,從應(yīng)力分布、車門侵入量、侵入速度和車門內(nèi)能等多個(gè)角度分析兩種車門的性能,并從保護(hù)車內(nèi)成員安全和節(jié)能環(huán)保等方面進(jìn)行對比,揭示多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料在車門殼體應(yīng)用中的特點(diǎn)與優(yōu)勢,對多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料低速沖擊性能的研究進(jìn)行有效