（纺织材料与纺织品设计专业论文）三维正交机织混杂复合材料的横向冲击性能及有限元分析[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

答辩日期：2 0 0 7 年1 月 三维正交机织混杂复合材料的横向冲击性能及有限元分析 摘要 当今纤维增强复合材料已经广泛应用于军事，航空航天，汽车和 体育器材，甚至民用设施等广泛领域，纤维增强复合材料以其优良的 机械性质引起了材料科学界的极大兴趣。 三维正交机织复合材料是一种典型的三维纺织结构复合材料，由 于z 方向绑定纱的引入，使其在各种三维结构复合材料中脱颖而出， 尤其是抗冲击性能极其优秀，在高性能复合材料领域中得到首肯。本 次实验采用t w a r o n 纤维作为经纱和z 纱，玻璃纤维作为纬纱来织造 三维正交结构织物，另外采用真空辅助树脂转移法来制作复合材料。 本文使用n e wm t s 材料测试仪和改进型h o p l ( i n s o n 压杆装置来 分别测试三维正交机织复合材料的准静态弯曲性能和横向冲击性能， 在准静态下，复合材料弯曲变形较大，纬向复合材料比经向能够承受 更大的载荷，复合材料在准静态下的破坏模式包括背面的拉伸破坏和 正面的压缩破坏，在横向冲击实验下，复合材料的弯曲变形较小，随 着冲击速度的增加，材料受到的最大载荷和吸收的能量也随之增加， 横向冲击下的复合材料破坏模式包括基体开裂，纱线的抽拔，断裂和 剪切。 通过有限元软件a b a q u s 和f o t r a n 语言编写的m a t 子 程序能够较精确可靠的模拟复合材料的横向冲击性能，子程序不仅可 以描述三维正交机织混杂复合材料的结构和参数，而且还能有效从理 论上分析复合材料的破坏模式，最终可以计算出冲击载荷历史曲线， 并且能够清楚的看到整个冲击过程，来更好的验证实验的准确性和可 靠性。 关键字：三维正交机织复合材料，h o p l ( i n s o n 压杆，横向冲击，有限元， a b a q u s lr a n s v e r s e1 m d a c tb e n a v l o ro 士t f h e e d i m e n s l o n a lo r t n og o n a l ，一 1- 1 n v b n dw o v e nc o m p o s l t e sa n dn n n ee 上e m e ma n a l y s l s 111 一 。 r - e c e n t l y ，f i b e rr e i l l f o r c e m e n tc o i n p o s i t e si sw i d e l yu s e d 抽t l l ef i e l d o ft l l e m i l i t a 巧a v i a t i o n ，v e l l i c l e ，a n dc i v i l i a ne q u i p m e n t ，s or e i n f o r c e d c o i n p o s i t | ea t t r a ，c t s m o r ea n dm o r ei i l 钯r e s t sa n da 仕e n t i o n ( k et 0 砥 o u t s t a l l d i l l gm e c h 撕c a la 1 1 dc o m p e t i t i v ep r o d u c t i o nc o s t a sa 白，p i c a l3 一dc o n s t m c t i o nc o r n p o s i t e ，3 - do r t h o g o n a l 、v e n c o i n p o s i t e si sf a m o u sf o ri t se x c e l l e n tm e c h 趾i c a lp r 叩e r 吼e s p e c i a l l yt h e h i 曲r e s i s t 吼c eo fd e l a m i n a t ea n d6 a c t u r e h 1t h i se x p e r i m e n t ，n 旧r o n 6 b e rw a su s e da sw a 叩y 暑衄sa n dzy a n l s ，m e a n w h i l ee g l a s sf i b e r 、a s u s e da sm ew e r y a m sd l l r i n gt h ew e a v i l l gp r o c e s s ，3 一do 砒o g o n a l 、釉v e n c o m p o s i t e sw e r em a d eb yv a r t mt e c l u l i q u e t h em e c h a n j c a lb e h a v i o ro f3 一do m l o g o n a lw o v e nc o m p o s i t e sw e r e t e s t e db yn e wm t s 锄ds 玎) ba tq u a s i s t a t i c 觚d 仃a 1 1 s v e r s ei m p a c t r e s p e c t i v e l y ，t h er e s u l ti 1 1 d i c a t e dm a te n e r g ya b s o 叩t i o nf o rc o m p o s i t e si s s e n s i t i v 毋t 0 也ei m p a c tv e l o c 啵1 1 1 ef a i l u r em o d e s 吼d e rq u a s i - s t a t i c 仃a i l s v e r s el o a d i n ga r et e n s i l ef a i l u r eo nb a c ks i d ea 1 1 dc o m p r e s s i v ef a i l u r e o nm e 觚s i d e ，w m l em o s ei 1 1 缸a n s v e r s em l p a c ta r em a t r i xc r a c k i n g ， f i b e rb r e a k a g ea n df i b e rp u l l - o u t t h en u i n 耐c a ls i m u l a t i o nf o rt r a n s v e r s ei m p a c th a sb e e nr e a l 讫e d b y a b a q u s ，w 王1 i c hi sac o m m e r c i a ls o f 盼a r eo ft h ef i f l i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， c o n l b i n e dw i mm es u b r o u t i n e ，t 1 1 ei i l l p a c tb e h a v i o ro f3 一do m l o g o n a l w o v e nc o m p o s i t e sc 姐b ec a l c u l a t e da c c u r a t e l y ，b e c a u s et 1 1 es u b r o u t i l l e n o to i l l yd e s c r i b e st h es t n l c t u r eo fm ec o m p o s i t e ，b u ta l s oc o n t r o l sm e f a i l u r em o d eo f t h e 咖a c t l u 0 n s o n g ( t e x t i l em a t e r i a l 觚dt e x t i l ed e s i 鳓 s u p e i s e db y 阢b o h o n gg u 跹yw o r d s ：3 一do r m 0 9 0 n a lw o v e nc o m p o s i t e ，s 唧b ，t r a n s v e r s e i i n p a c t ，f 砒ee l e m e n ta 1 1 a l y s i s ，a b a ( h 7 s 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位诊文作者签名：影松 日期： 2 do f 年乜月3 o 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密日。 学位论文作者签名：罗松 日期：2 0o 乒肛月3o 日 舯撕签名弧幔 日期：加纠f 2 彤。自 东华大学硕士学位谁立第一章文献罅述 1 1 引言 第一章文献综述 纤维增强复合材料由于其强度高，质量轻等优点广泛应用于航天航空、建筑、 机械、汽车、能源、化工等领域，但是一直以来，人们都是采用的二维层合板， 这样使得复合材料总是存在性能不均匀，面内性能差等不足，于是人们结合三维 纺织结构来制造三维复合材料，因此复合材料具有完全整体而连续的、在空间多 轴向面内及面外纤维取向，尤其是厚度方向的增强，从根本上克服了层台板的严 重分层现象，而且预制件在厚度方向的整体结构性使复合材料的性能如强度、刚 度、抗冲击性等性能得到了全面的提高。 复合材料从二维发展到了三维，从而使得纤维增强复合材料具有良好的机械 性能。三维纺织结构复合材料主要有五类：机织三维织物、针织三维织物、正交 及非正交非织造三维织物、三维编织织物和其它形式的三维织物。立体织物的形 状有块状、柱状、管状、空心截锥体及变厚度异形截面等，本次实验所要研究的 就是三维正交机织复合材料的横向冲击性能。 1 2 三维正交机织物的摄述 图1 1 三维正交机织物结构示意翻 图1 1 所示，三维正交机织物中的三组纱线排列方式是两两互相垂直的，分 别沿着x ，y z 三个方向纱线，各个纱线之间没有缠结和卷曲，经向和纬向的纱线 瓣 东华大学硕士学位论文第一章文献综述 在平面内成9 0 0 增加了复合材料的面内性能，各方向纱线的垂直排列可以让复合 材料的纱线体积含量增加，同时也增加了复合材料的抗拉强度和弹性模量，由于 厚度方向的增强纱的存在，增加了复合材料的稳定性，同样也增加了材料的层间 剪切性能，减少了分层现象，并且提高了抗冲击性能，以及弯越疲劳性能，三维 正交机织物的特殊结构在进行树脂浸润的时候也提供了很大帮助，因为z 方向的 纱线就像沟渠一样让树脂能够沿着它很好的浸润整个织物，三维正交机织复合材 料又有较强的仿形能力，能够一次成形具有异性截面的纺织预制件【l 埘。 1 3 三维正交纤维增强复合材料机械性能测试研究现状 对于在纤维增强复合材料高应变率下的力学性能测试，人们进行了大量的研 究，多为二维平面的单向板或层合板，对于三维正交机织复合材料的性能研究还 比较少见。 p i n gt 纽【3 j 等人研究了三维正交机织复合材料的机械性能及其失效原理，通过 准静态拉伸得到纬纱方向的平均杨氏模量要比经纱方向的高，平均的失效应变相 对就低，纬纱方向的平均失效强度比起经纱也要稍高一点，然后使用扫描电镜观 察复合材料的破坏模式，材料表面的裂纹方向是垂直于载荷方向，同时裂纹也导 致了z 纱和基体的脱离，沿着经纱方向的裂纹导致了纬纱和基体的开裂，而且导 致经纱的断裂，同样沿着纬纱方向的裂纹导致了经纱和基体的脱离，而且导致纬 纱的断裂。 o g a s a w a f 【4 】等人讨论了s i c 纤维s i c 基体三维正交机织复合材料的面内面外剪 切性能，对矩形截面的复合材料梁施加小的扭转力，并用光学控制器测量材料的 扭转刚度，基于l e l ( h 血s 1 ( i i 公式( s a i n o v e n a n 扭转理论) 计算出复合材料的扭转模 量，从士4 5 0 偏轴拉伸中可以得出面内剪切模量和计算结果很好的符合，在轴向 士o o 9 0 0 拉伸测试中，随着拉伸载荷的增加，面内面外剪切模量逐渐减小5 0 ，这 是因为复合材料中的横向裂纹扩散沿着9 0 0 纱线方向，基体开裂沿着0 0 纱线方向， 也说明了扭曲测试在面外方向是一个有效的测试方法。 b a u c o m 【5 - 8 1 等人通过二维层合板、三维正交机织复合材料、双轴经编针织 复合材料和的落锤冲击实验的比较，得出破坏面积的大小和材料抗冲击性能有着 密切的关系，复合材料破坏面积越大则抗冲击性能越好，这是因为材料破坏面积 4 东华大学硕士学位论文第一章文献综赶j 越大则材料吸收的能量都沿着纱线消散的越多，这都是归功于三维复合材料中的 z 纱，它可以控制材料吸收能量的消散。 h l l a i l g g u f 9 】等人对不同结构的三维机织复合材料进行了机械性能的比较，其 中包括正交，互锁，通过测试不同结构复合材料的拉伸性能得到结论，为了得到 尺寸稳定，强度大的复合材料只有让材料中纱线能够伸直，让纱线尽量减少弯曲 和弯曲震动，因此三维机织复合材料中的正交结构有着一定的优势。 1 4s 珈 b ( 分离式h o p l 血s o n 压杆) 测试复合材料性能 1 9 1 4 年h o p l ( i n s o n 最早提出了塑性波的传播理论，开创了一维塑性波理论 应用的历史先河，同时h o p k i n s o n 利用一维弹塑性波理论设计了材料动态性能测 试仪h o p 姑n s o n 压杆，但是h o p l ( i n s o n 并没有得到准确的应力波信号，从而在世 界上引起了众多学者对此方法的关注，紧接着在1 9 4 8 年，d a v i e s 采用电容器和 示波器等仪器第一次采集到了压杆上的应力波传递信号，但是也不能很好的应用 于科学研究，直到1 9 4 9 年k 0 1 s k y 【l o 】对装置作了改进，发展出s h p b ( 分离式 h o p l d n s o n 压杆) 试验装置。他将试样放置于两根压杆之间，通过加速的质量块、 短杆撞击或炸药爆炸等产生加速脉冲信号，利用压杆径向表面上的传感器得到传 感器上的电压历史信号，经过理论计算测出加在试样上的载荷历史曲线【l l - 1 2 1 。 h o p k i n s o n 压杆在众多材料测试方法中能够一直受到关注，除了h o p k i i l s o n 压杆采用了一维应力波原理，另外h o p k i n s o n 压杆能得到材料高应变率下的动态 响应，通常情况下，随着应变率的上升，材料逐渐表现更硬更脆，变硬体现了材 料的弹性模量的增加【1 3 。15 1 ，变脆则表现了材料破坏方式的变化以及强度的升高或 降低。 h o s u r 等人【1 6 】使用了一种改进的s h p b 装置，对3 2 层的碳纤环氧层压复合材料 进行了高应变率( 8 2 ，1 6 3 ，8 1 7 s ) 下的压缩响应测试。试样由三种铺层方式制 成：o o 单向铺层、9 0 0 单向铺层以及0 0 9 0 0 交叉铺层。试样在面内和面外方向进行 了冲击压缩测试，结果发现，材料的在高应变率下的刚度比静态载荷下有显著增 加，这种增加和许多因素有关，诸如纤维、基体、破坏模式、破坏响应等。材料 在面外方向的测试表明破坏应力是对应变率敏感的，随着应变率的增加，破坏应 力增加。在面外方向和面内9 0 。方向上的试验表明，破坏模式是由基体控制的， 东华大学硕士学位论文第一章文献综述 主要表现为剪切破坏，材料铺层取向和冲击加载方向对材料的动态响应有很大的 影响。 孙宝忠、顾伯洪【1 刀等人使用分离式h o p k i n s o n 压杆测试了三维机织复合材料 的厚度方向压缩性能，通过改变应变率来研究复合材料的动态响应过程，然后和 准静态下压缩测试比较得到三维机织复合材料的压缩刚度，最大压缩应力和响应 的压缩应变都是应变率敏感的。复合材料的压缩破坏模式在准静态下和高应变下 是不一样的，在准静态的时候，材料破坏模式仅仅表现为压缩破坏，而动态下材 料破坏模式和准静态不同之处就是存在材料的剪切破坏和基体开裂等等。 r e i d 【1 8 】最早使用h o p l ( i 1 1 s o n 单压杆法进行复合材料的横向冲击试验，经过多 次调节冲击速度来反映不同速度下材料性能的变化情况，结果根据材料不同破坏 形态的得到了横向冲击临界速度，而且发现当冲击速度超过临界值后，材料的破 坏首先发生在背面，而且表现为拉伸和剪切破坏而冲击速度低于临界速度的时 候。材料表面发生压缩破坏。 n w o s u 【1 9 1 等人对碳纤维环氧复合材料进行c n f 和e n f 的两种方式的横向动态 冲击，c n f 即在复合材料中间开个缺口，e n f 就是在复合材料的两端开缺口，对 这两种复合材料使用h o p l ( i n s o n 压杆进行横向冲击起裂试验，得到的结论是，随 着冲击能量的增加，复合材料的分层逐渐增加，吸收的能量也增加，而且c n f 试样吸收的能量比e n f 的要多，c n f 的起裂长度也要比e n f 要多，e n f 试样的破 坏主要表现在表面和边缘。 孙志杰f 2 0 】等人采用s h p b 横向冲击试验获得不同混杂比的混杂复合材料的载 荷历史和位移历史，并且进一步的分析了其破坏过程和能量吸收特，得到材料的 位移载荷曲线和能量吸收曲线。发现s h p b 引起的应力波冲击和实弹射击有着类 似之处，材料是否能发生大弯曲变形决定了材料能量吸收的多少。 r 嬲1 a np 。s i n g h f 2 l 】等人利用改装过的h 。p 垃n s 。n 压杆对脆性材料进行冲击起裂 实验，材料作成三明治夹层形状在铝的表面贴上易碎材料h o m a l i t e ，在材料背面 开个小槽作为起裂起始点，材料受到h o p 虹n s o n 冲击作用后发现了两种不同的动 态失效模型，第一种是裂纹沿着铝块扩展并停止在铝块和易碎材料界面处，导致 铝块和易碎材料的分层，随着载荷的增加出现了第二种破坏模式，就是分层情况 并没有继续增加，而是易碎材料开始出现裂纹扩展。 6 东华大学硕士学位论文 第一章 文献综述 1 5 有限元分析 有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。在 这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成的 几何模型，在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。由 于计算机的出现，有限元越来越广泛的被应用到解决实际的工程问题，如冲击爆 炸等，当然使用有限元来模拟复合材料的冲击破坏也是当今热门的课题。 h o r a c i or a 瑚1 r e z 【2 2 】认为h o p l ( i i l s o n 杆是一种标准测试复合材料动态性能的仪 器，但是弥散的应力波会导致测试结果的精确性，所以在有限元模拟中采用梯形 波来避免波的弥散，得到随着上升时间的增加，波的弥散会逐渐减小，在子弹和 入射杆中间增加一个小的波形整理器就可以增加脉冲波上升时间，选择合适大小 的可以变形的垫片才能得到合适的结果，文章通过有限元来论证了这一点。 卢建锋【2 3 】等人使用商业有限元程序a b a q u s 对混凝土的结构h o p 虹n s o n 杆冲击 做了有限元模拟，混凝土使用了a b a q u s 中自带的弥散裂纹模型和损伤模型，并 分别通过r e b a r 和嵌入单元两种方式模拟混凝土中钢筋对结构的加强作用，编写了 符合材料属性的v u m a t 子程序，模拟得到的结果和实验结果一致性非常好。 p i n gt a n 【2 4 】等人运用有限元分析( f e a ) 模型对三维正交机织复合材料进行宏 观和细观模拟分析来预测复合材料的破坏模式，在宏观模型中，相对粗糙的模型 用来预测材料的整体响应，细观模型中讨论了三维正交机织复合材料的单胞模 型，并从结果中得到材料单胞失效机理。从模拟的结果和实验结果比较得出两种 结果具有很好的一致性。 g 锄a 【2 5 】采用三维正交机织复合材料的单胞有限元模型计算材料的机械性能， 三维正交机织复合材料的单胞可以分为经纱，纬纱，z 纱和基体几个部分，机械 性能的计算包括冲击侵彻和能量吸收。 1 6 本章小结 综上所述，对于三维机织复合材料的测试研究文献中得到如下结论： ( 1 ) h o p l ( i n s o n 压杆非常适合复合材料的动态响应测试，而且h o p k i n s o n 压杆能对复 合材料进行拉、压、弯、剪、扭等一系列的动态测试，并且能得到动态测试过程 的各种历史曲线。 东华大学硕士学位论文第一章文献练述 ( 2 ) 合适的选择不同的纱线进行混合织造，得到的混杂复合材料能够混杂效应来 弥补单一品种纱线的一些不足，甚至能提高材料的机械性能。 ( 3 ) 很少研究和文献涉及到h o p 妯n s o n 压杆对于复合材料横向冲击性能的测试，因 为横向冲击测试的信号采集比起拉、压等测试要复杂困难的多。 ( 4 ) 纤维增强复合材料的动态破坏模式大多还停留在表象的观察，限于对剪切、 横向破坏、纵向破坏和纤维抽拔等破坏形式的表观描述。随着材料科学的进展， 以后的测试分析要基于理论建模和试验工作的结合，常规简单的应力应变定性 分析已经意义不大。 ( 5 ) 有限元分析能够在力学的基础上分析实验数据的真实性和可靠性，非常适合 各种力学工程的研究应用。 东华大学硕士学位讫文第二章三维正交机织复合材料的制作 第二章三维正交机织复合材料的制作 2 。1 三维正交混杂机织物的织造 高性能纤维增强复合材料的机械性质主要决定于高性能的纤维增强体，因此 在织物制造过程中纱线的磨损是影响最终产品质量的主要因素，东华大学三维织 机的优良设计大大减少了这种不良因素的产生。 图2 1 三维正交机织物织造过程图 如图2 1 所示，当八层经纱伸直的穿入织机后，形成了八层互相不接触的经纱 层，然后九根纬纱由箭杆沿着垂直于经纱的方向来回喂入，并穿过经纱层的空隙， 这样形成的织物并不像二维织物一样会发生经纱的移动，从而减少了经纱的磨 损。其次，许多三维织物是利用第三个方向纱线来缝编整个织物，这种制造过程 难免发生纱线之间的穿刺，很容易产生经纬纱线的破坏。而三维正交织机能够巧 妙的利用两排综丝的上下运动，从而带动z 方向纱线上下交叉运动最终来绑定整 个织物，而又最大程度减少纱线的损伤。再次，既然三维正交织机不像二维织机 样一次只能生产单层织物，因此生产速度就要比二维织机慢，这样就更加减少 了制造过程中对纱线破坏的因素【2 6 2 7 1 ，如包装、整理等，最终织物效果如图2 2 所示。 9 立鲨! ! ! 垒! ! i ! ；! ! ! ! ! ! ! 塑! ! ! ! 圈2 _ 2 三维正交机织物正面图 本课题所选用的纱线参数如表2 - l 所示，经纱和z 方向纱线都是选用荷兰生 产盼无捻t 嘶n ，纬纱选用中国大石集团的无捻无碱e 玻璃纤维。 表厶l 三维正交机织物的纱线参数 芳纶 e _ 玻璃纤维 经纱层数8 纬纱层数 一 9 经纱密度( 树1 0 c m )5 08 纬纱密度( 柳1 0 锄) 4 i2 22 复合材料的成型工艺 雪三 一 | ! 竺竺墨竺塑竺 一j 巫 _ 寸_ ( 至匠卜产睁引 i 引发剂l _ j l l 真空辅助工具 _ j 复舍材料的成型方法，包括基本的热同性树脂基复合材料的成型方法，如： 手糊成型、树脂传递模塑成型技术( 盯m 技术) 、s m c 、模压成型等，以及基本 的热塑性树脂基复合材料的成型方法，如：注塑、挤出等，本课题所采用的是真 东华大学硕士学位论文第二章二维正交机织复台材料的制作 空辅助树脂传递成型技术( v a r t m ) ，这种方法制造出来的材料表面可有镜面平 整效果，而且能够让树脂充分均匀的浸润到纱线的内部，复合材料成型流程如图 2 3 所示【2 8 2 9 1 。 复合材料的制作装置如图2 4 所示，首先将实验台上的玻璃用酒精擦洗干净， 等玻璃干后均匀的涂上一层薄薄的脱膜剂，防止织物和玻璃粘在一起，等脱膜剂 干后，再将修剪好的织物平铺在玻璃上，然后在织物盖上和织物面积大小相同的 玻璃，同样这块玻璃和织物接触的那面也要涂上脱膜剂，这时就可以用密封胶带 把真空袋牢牢的封盖住整个织物，另外在密封的同时也要注意在织物的两端粘上 两根导流管，用来作为树脂的导入和空气的导出，待配好的树脂溶液抽好真空后， 树脂溶液里的气泡都被赶出，这样就可以进行树脂转移模塑成型了，由于织物一 直保持在真空状态，树脂便很快会浸满整个织物，当织物彻底被浸润后夹住两端 的导流管，大约3 0 分钟后，便可感觉到织物的温度急剧升高，这是因为不饱和 树脂在促进剂和引发剂的作用下发生了化学反应，并且树脂溶液已经开始成为凝 胶状，等待3 4 小时后温度已经完全冷却下来，便可轻轻取出固化好的复合材料。 2 3 试样的加工 图2 - 4 v a 硎装置图 固化好的板材的尺寸大约都是4 0 0 m m 2 5 0 m m 4 m m ( 除去毛边后) ，沿着经 向( t w a r o n ) 和纬向( 玻璃纤维) 方向切割尺寸略有余量试样毛坯，复合材料的 截面如图2 5 所示，试样经过打磨修剪后尺寸为1 2 0 m m x15 m m 4 肋n ，如图2 6 及2 7 所示，然后检查试样是否有明显的纱线歪斜，气泡，裂痕等瑕疵，挑选后 的试样就可以进行横向冲击实验了，然后将所有试样分为经纬两组，并且编号， 经向纬向至少各2 0 个。 东毕大学硕士学位论文 第一章三维交机织复合材 的制作 图2 5 三维正交机织复合材料正面图 图2 6 三维正交机织复台材料侧面图 1 2 0 m m l 图2 1 三维正交机织复合材料尺寸图 东华大学硕士学位论文 第三章横向冲击实验仪器装置 第三章横向冲击实验仪器装置 3 1 改进式h 叩k i n s o n 单压杆装置 分离式h o p l ( i n s o n 压杆能够利用独特的应力波原理测试复合材料的拉、压、 弯、剪、扭等动态响应，h o p k i n t o n 压杆测试采用贴在杆子上的应变片来采集冲 击过程中的加载信号，从而通过理论计算得到材料的应力应变曲线，这样能巧妙 的避免了直接用传感器测试材料动态过程的困难和不稳定性，因此h o p k i n s o n 压 杆是一种很好的测试复合材料动态响应的实验仪器。 如图2 8 是普通用于做压缩或者拉伸的h o p 妯n s o n 装置图，调节氮气罐的压 力来控制子弹( 撞击杆) 的入射速度，开动发射装置后，枪膛里的撞击杆飞速向 着输入杆撞击，由于各个压杆在撞击面产生压缩脉冲，并通过界面传入输入杆， 这个入射脉冲通过输入杆再传至试件，最后传入输出杆，在输入杆和输出杆上贴 有应变片，于是可从输入杆的应变片上测得入射波和反射波，从输出杆的应变片 上测出透射波。依据一维应力波理论处理记录到的应变信号，超动态应变仪将电 阻信号转换为电压信号并放大，通过用于a ，d 转化的p c i 2 4 0 6 数据采集卡记录 数据及电压一时间曲线，利用一维弹性应力波理论的二波或三波公式计算材料的 动态压缩或拉伸性能口。 土 气枪 器 图2 8 用于做压缩的h o p k i n s o n 压杆装置图 但是由于本课题是研究复合材料的横向冲击性能，复合材料不能夹持在输入 东华大学硕士学位论文第三章横向冲击实验仪器装置 杆和输出杆中间，所以不能再采用如上装置，就必须自行设计夹持试样的夹具， 因此本次实验采用改进型h o p 妯n s o n 单杆法来测试复合材料的横向冲击性能，省 去透射杆，让试样夹具固定不动，避免冲击过程中夹具移动对实验所产生的误差， 能够更好的保证实验的稳定性，试验装置如下图2 9 所示。 撞击杆 入射杆 试样夹头 i 灞 ii 口 一 l 厂 r j |。 uh lill 气枪应变片试样 图2 9 改进型h o p k i n s o n 横向冲击装置图 3 2 h o p k i n s o n 压杆装置原理 t 多多 1，1r_1r 糊旧 图2 1 0h o p k i n s o n 压杆装置原理图 x 各种s h p b 装置可能存在着或多或少的差异，但是其试验原理都是基于应力 波理论基础，可以用l a g r a n g ex t 图来表示【3 0 。3 。如图2 1 0 所示，h o p 虹n s o n 压杆装置中撞击杆，输入杆均为冷拉g c r l 5 轴承钢杆，其直径为1 4 5 m m ，长度 1 4 东华大学硕士学位论文第三章横向冲击实验仪器装置 分别为3 0 0 姗和8 0 0 m m ，并且输入杆的头端为半圆球型，应变片贴在入射杆尾端 3 0 0 1 啪处，然后调节撞击杆和输入杆高度，保证两杆在同一条直线上，启动发 射装置，当气枪中的撞击杆发射出去，瞬间与入射杆相撞，并在输出杆中产生一 个两倍于撞击杆长度的入射波占，( ，) ，波在入射杆中传播的过程中被贴在杆子上 的应变片所接收，当压缩波传递到与试样接触时，应力波将会分解为两部分，一 部分沿着原路反射回来，另一部分被材料所吸收，同时反射回来的反射波占r ( ，) 也 被应变片所接受，如此下去，应力波将会在入射杆和试样中不断的发生反射，直 到最后逐渐消退【3 2 3 6 1 。 设撞击杆和输入杆的模量和密度分别五和p ，则可得到应力波的位移： ( f ) = c 。上( 。o ) 一如( f ) ) 衍 ( 2 1 ) 式中c 0 为弹性纵波波速， c o = e p ( 2 2 ) 入射杆头端受到的载荷为 p ( ，) = 以( 占，( f ) + s r ( f ) ) ( 2 3 ) 试样吸收的能量为 形= = f 争( r ) ( r ) 西= 三以c 。f ( 占，l j f ) 一( 明2 积 ( 2 5 ) 另外入射杆的冲击速度 v ：堡! ! 旦( 2 6 ) k d ( r 。+ r g ) u 6 式中：r 。应变片的电阻值q ； r ，应变仪上的标定电阻值，q ； k d 应变片的灵敏度系数； 玩信号采集通道的标定电压( v ) ； u 一冲击速度为1 ，时测的应变信号高度。 上述计算公式均是采用由本课题组自行编写开发的信号处理软件对输入和输出 东毕大学硕士学位论文第! 章横向冲击实验倥器装置 杆中采集得到的应力波信号进行处理，得到各种相关试验数据，软件如图2 1 1 所 j ，一= _ 器二p 一- ! = = ，一! 盏丁 一 一日日 图2 1 l 动态弯曲实验信号采集及处理软件 33 电阻应变片的选取和粘贴 应变片的粘贴的好坏直接决定了实验的成功与否，所以电阻应变片的粘贴过 程要相当的小心谨慎，不然会导致错误的实验结果而且浪费试样。本次试验选取 的应变片是上海应变计厂生产的b f l 2 0 - 2 a a 型号应变片，由于应力波在入射杆 中传播的时候遇到自由端面会发生反射，因此选择合适的应变片粘贴位置非常重 要，否则应变片会接收到入射波与反射波的叠加波，本次试验选用3 0 0 m m 的子 弹，这样可以产生6 0 0 m m 长度的应力波，因此应变片粘贴的位置选择在距离入 射杆后端3 0 0 删n 处，这样可以保证应变片没有处于入射波与反射波叠加的位置， 应变片粘贴的位置如图2 1 2 所示。 图 1 2 应变片粘贴位置 本次试验中入射杆上共贴有两个应变片，两个应变片在入射杆端面呈1 8 0 0 ， 并且保持串联状态。待应变片贴好后，将应变片的引脚和超动态应变仪的通道线 焊接起来，即完成了应变片的粘贴过程。 3 4 试样的安装 调节试样夹具的跨度为1 0 0 “l n l ，用螺丝刀把试样紧紧的固定在夹具上，让 东毕大学硬士学位论文第三掌横向冲击实验仪器装置 夹具的两端约束材料，并且要调节夹具的高度使入射杆头端能够正好抵住试样的 中部，防止冲击过程中发生偏差或者导致入射杆划出轨道，安装好的试样如图 2 一1 3 所示。 图2 一1 3 横向冲击实验材料夹具 柬华大学顽学位论立第四章三维芷变机织复旨材料横向冲击实验 第四章三维正交机织复合材料横向冲击实验 41 三维正交机织复合材料的准静态弯曲实验 为了比较三维正交机织复台材料在准静态和动态弯曲性能的区别，所以要对 复台材料进行准静态弯曲实验，准静态实验是在上海交通大学的n e w m 了s8 1 0 材料测试系统上完成的。为了保持准静态和动态实验的可比性，准静态实验和横 向冲击实验的夹头都是采用同一夹头，m r s 材料测试机的加载速度为2 m i i l ，m i n ， 并且能得到载荷位移曲线。 d 呷l a m e m ( m m ) 图4 _ l 准静态实验位移载荷曲线 图4 i 表示复合材料两个方向的准静态弯曲实验的戴荷位移历史曲线从图 中可以看出两条曲线的趋势是基本一致，在初始阶段，曲线几乎都是呈线形增加 的，直到载荷达到最高点后幅值立即陡降，这时复合材料开始发生破坏，此后复 合材料中的纱线和基体在承受载荷不断的被破坏，而且破坏并不同时发生，导致 了曲线不断的波动。但是复合材料经纬两个方向的弯曲性质存在区别经向纱线 是采用1 妇伽，纬向纱线采用的玻璃纤维，经纱断裂伸长率比纬纱大，所以在 位移的变化上，经向曲线达到最高点所对应的位移相对纬向要大，由于纱线的细 度、类型和复合材料中纤维体积含量的不同，导致了复合材料在两个方向上承受 的最大载荷不同，纬向复合材料比起经向复合材料能够承受更大的载荷。 东华大学硬学位论文第四章三雏正空机织复台材料攒向冲击实验 42 三维正交机织复合材料的横向冲击实验 421 横向冲击实验典型信号波形 三维正交机织复合材料的横向冲击实验是在东华大学的改装础i n s o n 压 杆测试仪上完成的，调节不同的气枪气压，便可发射不同速度的子弹( 撞击秆) ， 这样就可得到不同弹速下复合材料的横向冲击性能。 t l m e f m ) 图4 _ 2 典型原始波形曲线 如图4 - 2 所示的是典型的原始输入输出波曲线图，整条曲线大致上可分为兰 个部分。 ( 1 ) 在开始阶段即0 】0 0 微妙时间段内，电压为o ，即撞击杆和入射杆相撞产生的 应力波还没有传递到应变片所在的位置。 ( 2 ) 1 0 0 一3 0 0 微妙脉冲幅值为正数表示为入射波信号，在1 0 0 微妙时应变片采集 到信号，因此电压急剧上升，形成近似方波的一个脉冲，由于本次实验为了得到 更好的实验效果采用了滤波器，因此脉冲不完全是方波，入射脉冲形状反映的是 冲击过程中子弹所传递过来的能量，波宽反映了碰撞过程对应的时间( 主要由子 弹的长度决定，即长度增加，则碰撞时间增加) ；波幅反映的是输入杆的应力大 小( 主要由撞击杆的速度决定，即速度增加，幅值增加) 。 ( 3 ) 3 0 0 5 0 0 微妙足第三部分，印反射脉冲信号，持续时间和入射信号时间一样， 大约在3 0 0 微妙的时刻，脉冲幅值变为负数，这表示入射杆卜的应变片已经接受 到了反射脉冲信号，但是这段时阐的波形幅值和入射信号不一样，比起入射信号 东华大学颈士学位论文第四章三维正童机织复舍材辩横向冲击实验 出现一点点凹陷，这是因为部分入射的应力波被复合材料吸收，并没有完全反射 回到入射杆里。 4 22 经向复合材料的横向冲击实验 调节控制气枪的氯气气压就可以得到不同豹子弹( 撞击杆) 冲击速度，当然 入射杆冲击复合材料的速度也就不同，因此材料在不同速度下表现出来的冲击性 能也就不一样，本次实验针对性的选择了三个典型的入射杆冲击速度， 2 0 肭，4 0 舭，5 5 m 旭，因为这三个速度最能反映入射杆所能达到的最小冲击速度到 最大冲击速度的整个变化过程。 d i s p 旧m e m ( m m ) 图档不同冲击速度下经向复台材料载荷历史曲线( a 时间- 载荷b 位移- 载荷) 从图4 - 3 中可以看出不周速度下的材料时阃载荷曲线趋势是一致的，但是三 “纠侣忭佗9 6 3 一z，一口日oj 东毕大学硕士学位论文第四章三维t 交机域复台材抖横向冲击实验 条曲线上同一时间所对应的载荷值却有着明显的区别，随着速度的增加，复合材 料所承受的最大冲击载荷逐渐增加，每条曲线可以分为三个部分，假定应力波接 触材料的时间为0 时刻，第一部分出现在0 3 0 微妙之间，这段时间内曲线出现 剧烈的波动，而且材料受到的载荷很小，这是因为h o p b n s o n 压杆的入射杆的头 端是半球型，当入射杆冲击材料的瞬阃，入射杆和材料接触的面积非常的小，只 有半球型的顶端和材料接触，这时沿着入射杆传递过来的应力波由于变截面的原 因几乎都被反射回去或者散射出去，所以材料承受的冲击载荷也非常小，髓着入 射杆和材料接触的面积增加。材料受到的载荷几乎呈直线上升，这个阶段是材料 的弹性变形阶段近似符合弹性定律。随着入射杆位移的继续增加，材料受到的 载荷不再是直线上升，开始趋向平稳直到昂高点，这段就是材料弯曲的屈服阶段 越过虽高点，材料已经不能承受巨大的载荷开始出现破坏，因此载荷开始下降， 但是f 降的趋势并不是线形的，而是不断的波动，甚至有时候载荷出现上升现象， 但是最终载荷还是逐渐降低，弯曲变形结束。 42 3 纬向复合材料的横向冲击实验 东华大学硕学位论文第四章三维正交机织复合材料横向冲击实验 d i s p i a m e n “m m ) 图4 - 4 不同冲击速度下纬向复台材料载荷历史曲线( a ：时间- 载荷b ：位移- 载荷) 从经向和纬向的横向冲击曲线图4 _ 4 可以看到，同一冲击速度下，纬向的复合 材料能够承受更大的冲击载荷，这是因为两个方向上的纱线经纬密度和纱线的体 积含帚也不一样所导致的。 4 24 三维正交机织复合材料的横向冲击实验能量吸收 v e l o d 州m 阻) 图4 5i 维机织复合材料经纬向能量吸收囤 复合材料吸收能量的多少也能反映r 材料在整个冲击过程中抗冲击能力的强 弱，因此复合材料吸收冲击能量的能力是衡量材料抗冲击的重要指标。图4 - 5 描 绘了复合材料受到最大载荷之前的能量吸收柱状图，随着冲击速度的增加，材料 吸收的能量也逐渐增加，沿着纬向的复合材料比经向的吸收能量要多。 东毕大学硕士学位论文 第四章三维正交机织复台材料横向冲击实验 v e f o a 州m ，s 图4 6 失效载荷速度曲线 图4 6 描述了三维正交机织复合材料在不同速度下最大载荷变化情况。可见 三维正交机织物复合材料对冲击速度是敏感的，随着冲击速度的逐渐增加复合材 料能够承受更大的载荷，弯曲模量也逐渐增加，可见在冲击速度增加的情况f ， 材料逐渐变的更加强硬。但是经向和纬向还是存在定区别，沿着纬i 句的复台材 料比经向能够承受更大的冲击载荷，两条曲线的增长快慢并没有非常明显的区 别。 43 三维正交机织复合材料准静态及横向冲击破坏模式 431 准静态试验破坏模式 准静态试验的特点是材料有着足够的时间来承受载荷而发生形变，当达到最 大载荷时载荷值突然陡降，然后又有轻微的上升，这个现象说明了复合材料的 基体突然发生破坏，而纱线并没有破坏，所以导致载荷值的突然抖动，随着实验 测试机冲头位移的增加，复合材料的上表面受到压缩作用，下表面受到拉伸作用 材料的基体继续破坏，同时伴随少量纱线的断裂，这时复合材料的破坏模式包括 纱线的拉伸、压缩、抽拔，而且纱线破坏不是同时发生的材料破坏程度的逐渐 加深直到最后材料彻底的破坏，如图4 7 a ( 1 ) 和b ( 1 ) 分别是复合材料经向和纬向 的准静态下的破坏效果，复合材料的损伤面积较动态下要小。 东华大学碗学位论文第四章蔓维空机织复合材料横向冲击实验 4 32 动态横向冲击破坏模式 动态横向冲击和准静态试验不同之处是材料在瞬间受到巨大的载荷，材料没 有足够的时间让外力均匀的传遍整个材料，也来不及发生很大的形变，和准静态 不同的是复合材料的破坏形式除了基体破坏和纤维抽拔、拉伸、压缩之外，还包 括剪切破坏，复合材料的正面的压缩破坏和背面的拉伸破坏很严重，而且损伤破 坏的形状是由接触点向外扩散的，不同于准静态下的仅仅单向裂纹扩展破坏。从 图4 - 7 中也可以看到随着冲击速度的增加，材料的破坏面积和程度也逐渐增加。 从经向和纬向破坏程度的比较可以看出，纬向能够承受更大的冲击载荷。 。j - j；jz 季 i 。 “。：? j _ 准静态 雾灞 i - - _ 佗12 0 m a a 经向复合材料破坏模式 = = 二。：_ = = l 乏兰乏芸柙旁j 、j v o 一 。? 1 准静态 。 东华大学硕学位论文第四章三维空机织复台材料横向冲击宴验 0 ) 4 0 m 愚h ) 5 5 i n 居 b ：纬向复合材料破坏模式圈 图4 - 7 三维正交机织复合材料破坏模式 ( a ：经向复台材料破坏模式b ：纬向复合材料破坏模式1 盈- 东华大学硕士学位论文 第五章三维正交机织复合材料线弹性力学性能分析 5 1 三维正交机织结构分析方法 复合材料细观结构的非均质特性，本章提出了一个三维正交机织复合材料线 弹性力学性能分析模型，三维正交机织分为三个系统的纱线：经纱、纬纱和z 方向的纱，理想状态下的经纱和纬纱和z 方向的绑定纱都是呈直线状态的，因此 可以根据复合材料细观力学进行坐标的转换得到刚度矩阵，然后再进行局部坐标 系与全局坐标系转换，求得总体柔度矩阵，进而通过求逆得到刚度矩阵3 7 1 。 5 2 基本假设 在建立三维正交机织复合材料细观模型之前，我们作如下假设： ( 1 ) 纱线中单丝是连续的且相互平行的： ( 2 ) 树