（纺织材料与纺织品设计专业论文）三维正交机织复合材料点冲击响应和有限元计算[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

东华大学硕士学位论文 摘要 三维正交机织复合材料点冲击响应和有限元计算 摘要 三维正交机织复合材料中经向和纬向的纱束在平面内呈9 0 。交 织或排列，提高复合材料的面内刚度和强度。贯穿于结构厚度方向上 的绑定纱束则提供了材料的稳定性，有效地克服了层压复合材料低断 裂韧性和层间剪切强度的缺点，可广泛应用于航空航天、船舶、汽车、 建筑等工程领域。 随着三维机织复合材料在工程中的广泛应用，研究其准静态和动 态下力学性能愈来愈受到工程界和学术界的关注，而利用准静态侵彻 方法和h o p k i n s o n 技术来研究三维机织复合材料的能量吸收性能是扩 展其应用范围的有效途径。准静态下与动态冲击下的复合材料力学行 为具有很大差异。因此，研究三维正交机织复合材料的冲击响应是设 计抗冲击性复合材料的一个重要方面。本论文主要使用m t s 试验机和 h o p k i n s o n 杆方法研究三维正交机织复合材料的准静态弯曲性能和动 态点冲击响应，得到准静态和动态实验条件下的位移载荷曲线用来 分析复合材料的吸能特性并进行比较。结果表明，准静态载荷下，随 着压杆与材料之间的接触面积增大，载荷上升到最大值，然后逐渐下 降；随着位移的增大，树脂基体变形并开裂，进而导致材料大量的能 量吸收。在动态载荷下，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，复合 东华大学硕士学位论文 摘要 材料的损伤破坏的形状是由接触点向外扩散的，并且随着冲击速度的 增加，材料的破坏面积和程度也逐渐增加。 本论文还将基于材料的细观结构建立材料的单胞模型，在 a b a q u s e x p l i c i t 中结合编写的用户予程序( v u m a t ) 来模拟冲击 破坏过程，得到模拟和实验条件下的位移一载荷蓝线用来分析复合材 料的吸能特性来进行比较，并通过模拟来揭示应力波在s h p b 中的传 递。结果表明有限元模拟的位移一载荷曲线、吸能曲线和破坏模式与 实验比较吻合，随着位移的增加，复合材料吸收的能量越多，破坏就 越大，说明单胞建立是比较正确的，从而可在理论上分析复合材料的 破坏模式，以便更好的验证实验的准确性和可靠性。此外，该单胞模 型还可用来模拟其他三维机织复合材料的冲击行为。 关键字：三维正交机织复合材料，单胞，点冲击，用户子程序，有限 元模拟 农华大学硕士学位论史 a b s t r a c t t h ep o i n ti m p a c tr e s p o n s e so f3 do r t h o g o n a lw o v e nc o m p o s i t e a n d 瓶mc a l c u l a t i o n t h ew a r pa n dw e f ty a r n si n3 do r t h o g o n mw o v e nf a b r i cp r o v i d et h e h i g h e s ti n p l a n es t i f f n e s sa n ds t r e n g t h ，w h i l et h eb o n d e ry a mw h i c h a c r o s st h et h i c k n e s sd i r e c t i o nc a np r o v i d et h es t a b i l i t yo fc o m p o s i t e m a t e r i a l 。t h ee x c e l l e n ti n t e g r i t yo f3 do l t h o g o n mw o v e 。nc o m p o s i t e a l l o w st h et a i l o r i n go fp r o p e r t i e sf o rs p e c i f i ca p p l i c a t i o n sa n ds h o w s b e t t e rd e l a m i n a t i o nr e s i s t a n c ea n dd a m a g et o l e r a n c e ，t h e r e f o r ei ti su s e d w i d e l yi ne n g i n e e r i n g ，a e r o s p a c e ，s p o r t se q u i p m e n t ，a u t o m o b i l ea n d a r c h i t e c t u r e a st h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no fc o m p o s i t ei ne n g i n e e r i n g ，t h es t u d y o nt h em e c h a n i cp r o p e r t i e su n d e rq u a s i - s t a t i ca n dd y n a m i ch a sa t t r a c t e d m o r ea t t e n t i o ni ne n g i n e e r i n ga n dr e s e a r c h 。i ti s p r o v e d t h a tt h e q u a s i s t a t i ci n d e n t i o nm e t h o da n dh o p k i n s o nt e c h n o l o g ya r et h ee f f e c t i v e w a y t oa n a l y z et h ee n e r g ya b s o r p t i o no f3 d o r t h o g o n a lw o v e nc o m p o s i t e 。 b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo ft h em e c h a n i cb e h a v i o ro fc o m p o s i t eu n d e r i 东华大学硬： ? 学位论文 q u a s i - s t a t i ca n dd y n a m i c ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ei m p a c tr e s p o n s e so f 3 do r t h o g o n a lw o v e nc o m p o s i t em a t e r i a la n di n v e s t i g a t et h ed i f f e r e n c e b e t w e e nd y n a m i ca n dq u a s i - s t a t i cl o a d i n g 。i nt h i sw o r k ，q u a s i - s t a t i ca n d p o i n ti m p a c tt e s tw i l lb ec o n d u c t e dw i t hm a t e r i a l st e s ts y s t e m ( m t s ) a n dm o d i f i e ds p l i t h o p k i n s o nb a r ( s h p b ) a p p a r a t u s 。t h el o a dv s d i s p l a c e m e n tc u r v e sd u r i n gq u a s i - s t a t i cp e n e t r a t i o na n di m p a c tw e r e o b t a i n e dt o s t u d y t h e e n e r g ya b s o r p t i o n o ft h e c o m p o s i t ep l a t e d i f f e r e n c e so ft h el o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e sb e t w e e nt h e q u a s i - s t a t i ca n d i m p a c tl o a d i n ga r ed i s c u s s e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h el o a du n d e r q u a s i s t a t i cw i l l i n c r e a s et ot h em a x i m u ma tf i r s ta n dt h e nd e c r e a s e g r a d u a l l ya st h ei n t e r f a c ei n c r e a s i n gb e t w e e np e n e t r a t e ra n dc o m p o s i t e m a t e r i a l 。t h em a t r i xw i l lb ed e f o r m e da n dc r a c k e d ，w h i c hc a u s e st h e m o r ee n e r g ya b s o r p t i o nw i t ht h ei n c r e a s i n go fd i s p l a c e m e n t u n d e rt h e i m p a c tl o a d ，c o m p o s i t e i s s u b j e c t e d t oah i g h e rv a l u eo fi m p u l s i v e l o a d i n gi nav e r ys h o r tt i m e 。t h e r ei sn o te n o u g ht i m ef o rt h es t r e s sw a v e t op r o p a g a t et oa l lp a r t so fc o m p o s i t ec o u p o n t h ed a m a g eo n l yo c c u r si n al o c a la r e a h o w e v e r , t h ec o m p o s i t ef a i l u r ea r e ai n c r e a s e sg r a d u a l l ya s t h ei n c r e a s i n go f i m p a c tv e l o c i t y t h i sw o r ka l s oa p p l i e sm et ot h ef a c e t b a s e do nt h em i c r o s t r u c t u r e 醒3 一do r t h o g o n a lw o v e nc o m p o s i t e ，au n i t c e l lm o d e lw a se s t a b l i s h e d a c o m p i l e du s e rm a t e r i a ls u b r o u t i n ew h i c hn a m e dv u m a t i si n c o r p o r a t e d w i t haf i n i t ee l e m e n tc o d ea b a o u s e x p l i c i tt os i m u l a t et h ei m p a c t i v 东华大学硕士学位论文 a b s t r a c t d a m a g ep r o c e s so ft h ec o m p o s i t ep l a t e s t h ef l u c t u a t i o no ft h ei m p a c t s t r e s sw a v e sh a sb e e nu n v e i l e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h el o a dv s d i s p l a c e m e n t0 l i v e sa n de n e r g ya b s o r p t i o nc h i v e sa n df a i l u r em o d eo f c o m p o s i t ep l a t es h o wg o o da g r e e m e n tb e t w e e nf e ms i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s w i t hi n c r e a s i n go ft h ed i s p l a c e m e n t ，t h ee n e r g y a b s o r p t i o na n df a i l u r eo f3 do r t h o g o n a lw o v e nc o m p o s i t ea r ei n c r e a s e d g r a d u a l l y a n di t i sa l s op r o v e dt h a tt h ef o u n d a t i o no fu n i t c e l lo f3 d o r t h o g o n a lw o v e nc o m p o s i t ei sa c c u r a t e s ot h ef a i l u r em o d ec a nb e a n a l y z e di nt h e o r yt ov a l i d a t et h ev e r a c i t ya n dr e l i a b i l i t yi ne x p e r i m e n t 。 f u r t h e r m o r e ，t h em o d e lc a na l s ob ee x t e n d e dt os i m u l a t et h ei m p a c t b e h a v i o ro ft h e3 dw o v e n c o m p o s i t es t r u c t u r e s k e yw o r d s 3 do r t h o g o n a lw o v e n c o m p o s i t e ，u n i t - c e l l ，p o i n ti m p a c t ，u s e rs u b r o u t i n e ， 疆ms i m u l a t i o n v 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强，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。 学位论文作者签名：勰知次干 日期： ? 必孑年月，夕日 ； 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。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密昭。 学位论文作者签名：姬灰干 日期：础彦铜月，汨 4 黼：删欠 日期：。纱净 月蜀 东华大学硕士学位论文第一章综述 第一章综述 纤维增强层合板在造船业、航天航空和汽车制造业等f 】领域的应用已有很 多年的历史。但传统的层含板和层合复合材料沿厚度方向的刚度、强度、断裂韧 性比较低，具有易分层、抗冲击性能差、面内力学性能不均匀、损伤容限低等缺 点，使得其应用的范圈受到一定豹限制，于是入们结含三维纺织结构来制造三维 复合材料。三维( 3 d ) 纺织复合材料是应航空航天、船舶、汽车、建筑等领域的需 要而于7 0 年代崛起的先进复合材料。这种复合材料在厚度方向所起的增强效应， 从根本上克服了层合板的严重分层现象，而且预制件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。 由于三维机织复合材料的比强度高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀、 便于大面积整体成形等优点鞭，这种复合材料目前已开始试用予飞机的机身、窗 框、舱门、机翼等重要结构件【5 q 。本次实验主要研究三维正交机织复合材料的 冲击动态响应。 。2 三维正交枕织织物概述及三维纺织复合材料的特点 1 2 。1 三维正交褫织织物概述 三维织物一般是指采用连续纤维织造而成的比较厚的织物，在此织物中纤维 相互交织或交叉，并且沿多个方向取向，不但沿平面肉取向，而且沿平面间取向， 即沿厚度方向取向，从而使织物形成一个不分层的整体结构。 0 1 0 o0 o o。fo fo| oo olol0i0l0 o a0 | j。o o o o ?。o 八0 7。o 。o 图1 - 1 三维正交机织物横截面 东华大学硕士学位论文 第一章综j 述 在本课题研究中，我们将采用融玻璃纤维织成的平板状三维正交机织物。如 图卜l 为三维正交机织物横截面示意图。它主要是通过多层经纱、纬纱和厚度方 向上的纱线( z - y a r n ) 织造而成三维立体纺织结构。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，经向和纬向的纱线在平面内成9 0 。增加了复合材料的面内性 能，同时由于采用了多层经纱，从丽使织物的厚度增加，并且沿厚度方向纱线或 纤维相互交织在一起，即按一般概念说其“层 之间是相互连接在一起的，这就 提高了“层”之间的抗剪切的能力1 丌。 1 2 2 兰维纺织复合材料的特点 纺织复合材料的发展依赖于新的合理的复合材料构件制造技术体系的建立。 传统的层合板复合材料具誊重量轻、强度嵩等优点，但由于制造技术不完善和层 合能力较差，因而所承受的载荷较低且强度变化较大，只能作为次承力件。三维 正交机织复合材料具有较强的仿形簏力，能够一次成形具有异性截蘸的纺织预形 件【引。三维纺织预制件及其复合材料有着传统复合材料所不具备的结构特点： 献理论上讲三维纺织复合材料可以达到任意厚度，嚣且沿厚度方南有增 强纤维通过，这就形成了不分层的整体网状结构。这就大大提高了三维 正交机织复合材辩沿厚度方向的性麓和其他力学性能及功能，使它完全 可以制作主承力结构件和高功能制件。 采用三维纺织技术可以直接织成不同形状的异型整体髂，如王型梁、誓 型梁、十字梁等，可减少零件和模具的数量。 合理的纱线结构设计和利焉薪的三维技术能够对高性熊纤维进行织造， 这就保证了结构件的强度和韧性1 9 , 1 0 。 1 3 三维正交机织复合材料机械性能的研究进展 对于三维机织复合材料的机械性能，人们进行了大量的研究，而三维正交机 织复合材料尚处予发展阶段，对其机械性能的研究还不多见。 h u a n g g u 等 1 1 l 对正交和互锁两种不同结构的三维机织复合材料的机械性能 进行了比较。通过测试不同结构复含材料的拉伸性能得到结论，只有让材料中纱 窳华大学硕士学位论文第一章综述 线保持伸直，才能得到尺寸稳定且强度大的复合材料，即使不能完全伸直但也要 让纱线尽量减少弯曲和弯曲震动，在此方面，三维正交机织复合材料具有着一定 的优势。 o g a s a w a r 等t 1 2 l 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，在轴向如。侈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d 、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o o 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。 n m k 等f 1 3 l 提出一个三维机织复合材料强度模型来预测三维机织复合材料正 交互锁结构在单轴向静态拉伸载荷和剪切载蘅下的失效行为。 p i n gt a n 等1 1 4 l 研究t _ - - 维正交机织c f r p 复合材料的机械性能及其失效原 理。通过准静态拉伸试验测得纬纱方向的平均杨氏摸量要和平均失效强度比经纱 方向的高，且纬向平均的失效应变相对经向较低。然后在扫描电子显微镜下观察 复合材料的破坏模式，发现材料表藤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，丽且导致 纬纱的断裂。 y a o ：等1 1 5 】研究三维正交芳纶玻纤混杂复合材料的拉伸、冲击和介电性能。通 过拉伸实验，发现混杂复合材料拉伸强度接近混合准则并有一个小的混杂效应， 两在冲击性能测试中混杂复合材料显示了比单一纤维类型的复合材料具有较大 的抵抗冲击的能力，这种冲击韧性在芳纶和玻纤在复合材料中的体积分数达到最 大平衡的时候会达到最大。研究还发现混杂复合材料的介电常数走势并不遵循混 合物的介电常数规律，而介电损耗则遵循混合准则。 k h t s a i 等1 1 6 l 对三维正交纺织复合材料和带孔铝块进行单轴拉伸载芬下的 光弹性实验，实验中描述了利用数字图像处理技术得到一个圆形偏光器和两个平 板偏光器的光弹性图像，这个图像是用来提取分析材料光弹性能的等色参数露和 婷斜参数仃。在铝块中得到的参数和有限元方法计算出来的相差无几，而在三维 正交纺织复合材料中会产生局部扰动，使得坟幅僵变化拢露大。 上述文献虽然都研究了三维正交机织复合材料的一些机械性能，三维正交机 东华大学硕：e 学位论文第一章综述 织复合材料的冲击性能有待研究。 1 4 利用h o p kin s o n 压杆技术研究复合材料的冲击性畿 1 9 1 4 年，h o p k i n s o n 为了测试脉冲波的波形，建立了h o p k i n s o n 杆装震，它是 测试瞬态脉冲的第一种方法1 1 7 1 。1 9 4 8 年，d a v i e s 1 8 】用电容器和示波器第一次测 缝了压杆上的应力波传递信号。1 9 4 9 年，k o l s k y 1 9 1 对装置终了改进，发震出分 离式h o p k i n s o n 压杆( s h p b ) 试验装置。目前这一实验技术已在国内外得到广泛 应用。 ， 利用h o p k i n s o n 压杆技术来研究三维机织复合材料的动态冲击性能是非常有 效的方法。r e i d 2 1 l 最早使用舶p 垃l s 鼹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 丽破坏形态的褥到了横向冲击临雾速度，丽且发现当冲击速度超过临界傻后，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。 姜风春等i 蠲对传统的h o p k i n s o n 压杆实验装置进行了改进和完善，还将 h o p k i n s o n 压杆技术的应用扩展到除材料的动态压缩实验以强酶动态拉伸、动态 剪切、裂纹扩展速度测定、动态断裂韧性测试等。韩小平等1 2 3 以c f r p 、g f r p 两 种材料为例，利用h o p k i n s o n 杆来研究正交复合材料在冲击载荷作用下的拉伸力 学性能。实验得到了不同应变率下层板的应力一应变曲线，以及断裂强度、拉伸 模量、断裂应变随麴载速率改变的规律，进嚣来认识复合材料层板的动态力学行 为和变形、破坏机理。 许淑燕等l 硼利用 b 砖攮s o 鑫压杆技术研究层压复合材料靶板的动态点冲击响 应行为，完整地检测了整个冲击过程，并研究了冲击力和冲击点速度随时间变化 的规律，以及靶板变形与破坏模式。结果表明芳纶复合毒| 料靶板点冲击过程可以 分成4 个阶段，即初始加载阶段、初始卸载阶段、速度基本不变阶段和速度下降 阶段；在冲击过程中，靶板背匿的应变是一种复合应交，它壶萄内拉伸应变和横 向弯曲应变组成；时间应变历程能够较好地揭示靶板的破坏模式，不同铺层方 式的靶板虽然破坏模式有差异，但具有耀似的应变一时闻历程的交讫规律。 牛津大学的h a r d i n g 教授【矧用s h p b 对三维纤维增强复合材料横向冲击的动 米华大学硕士学位论文 第一章综述 态响应和破坏模式进行了研究。横向冲击时，能量横向传播吸收较少。 孙宝忠、顾伯洪等使用分离式h o 站赫s o n 压杼测试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褥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，嚣动态下材料 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。 h o p k i n s o n 压杆采蔫一维应力波原理，可以得到材料高应变率下的动态响应。 h o s u r 等 z 7 - 3 0 1 发表了一系列的文章来研究高应变率效应下复合材料的冲击性能。 h a q u e 等p l l 研究7 在湿度和温度影响下s 2 玻纤乙烯基机织复合材料的高应变率 效应。s u n 等【3 2 】通过分析三维机织复合材料的冲压剪切性能，发现材料的剪切刚 度和强度对应变率有敏感性。 利用h o p k i n s o n 压, 杆技术来研究动态冲击下三维正交机织复合材料的冲击性 照和瘟力波如何在秆中传播涌属少见，本文将利用h o p k i n s o n e 杆技术技术来研 究三维正交机织复合材料大尺度圆板的动态冲击性能，并研究分析了应力波在杆 中的传播方式。 1 。5 有限无分析 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设 ， 计和分析中得到了越来越广泛的重视，有限元方法也从结构工程强度分析计算扩 展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数 值分析方法。 利用有限元方法来分析模拟复合材料的力学性能已成为当代热门课题。t a n 等l 蚓运用有限元分析( 】瞪a ) 模型对三维正交机织c f r p 复合材料进行宏观和细观 模拟分析来预测复含材料的破坏模式。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革胞模型，并从结 果中得到材料单胞失效机理。模拟的结果和实验结果具有很好的一致性。 金泉等潮基予随机序列吸附( r s a ：r a n d o ms e q u e n t i a la d s o r p t i o n ) 方法生 成周期性的三维多增强体单胞模型，通过模拟单轴拉伸实验计算该复含材料的 东华大学硕士学位论文 第一章综述 应力一应变曲线及其应力分布。模拟结果显示：在纤维状增强体中，平行于加载 方向的增强体承载了最大的应力，而与加载方向约呈4 5 。焦的增强体承受的应力 最小；颗粒状增强体承受的应力相比平行于加载方向的纤维状增强体要小很多； 基体中应力在加载方向上靠很近的增强体之间较高。 g a m a f 3 6 1 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。 l e e 等p 7 】运用大型有限元分析法研究三维正交机织复合材料的性能，并预测 材料的弹性性能。为了建立三维正交机织复合材料的复杂几何数值模型，在直接 数值模拟的基础上，建立一个包含经纱、纬纱、捆绑纱和树脂的单元结构，相同 模式的单元结构组合成带有几百万自由度的正交机织复合材料结构。由数值模型 表明，纤维束的本部状态影响剪切刚度，捆绑纱的直接建模能产生更精确的刚度 退化。大型数值分析法是足以表征三维正交机织复合材料性能的方法之一，与单 胞模型相比，更能适用于复杂载荷下的真实结构。 最近，j i 等【3 8 1 利用直接数值模拟方法来模拟三维正交机织复合材料在低速冲 击下的破坏，这种方法是基于复合材料内部微观结构和每个材料的连续性能够直 接建模这样的概念而实现的，并能够用此方法对复合材料性能的模拟和分析。 a b a q u s 作为有限元软件有着令人惊奇的广泛的模拟性能，它拥有大量不 同种类的有限元公式、材料模型和分析过程等，应用起来非常简单f 3 9 1 。目前， a b a q u s 软件的应用还不是很广泛。北京航空航天大学的杨晓光f 删在分析粘塑 性材料的结构时，就把w a l k e r 粘塑性本构方程结合进了非线性有限元a b a q u s ， 并进行了算例验证。计算结果准确性是满意的，积分算法是成功的，计算效率是 可以接收的。 借助于地气q u s ，本文将对三维正交机织复合材料的准静态侵彻过程和动 态响应过程进行模拟，并将结果和实验所得数据进行分析比较。 1 。6 本文工作任务和内容 本文主要任务是利用m 稿和改进的珏o p 妊螨躔压拇装置来研究三维正交机织 复合材料的准静态侵彻性能和动态点冲击性能，建立该类复合材料的单胞模型并 东华大学硕士学位论文第一章综述 结合大型有限元软a b a q u s 对实验进行模拟，分析材料的动态响应和破坏模式。 第二章介绍三维正交机织物的织造及其增强复合材料的制备过程。 第三章介绍动态冲击分离式h o p k i n s o n 压杆装置，详细讨论实验装置原理以 及组成和结构，给出装置的数据采集系统及后处理分析系统；在m t s 实验机上 完成材料的准静态侵彻实验，并在h o p k i n s o n 装置上完成材料的动态点冲击实 验，得到两种试验条件下三维正交机织复合材料大尺度圆板的位移载荷曲线以 研究材料的吸能特性和破坏模式。 第四章对三维正交机织复合材料线弹性力学性能进行分析，建立材料的单胞 模型，并推导出材料的刚度矩阵。 第五章利用有限元软件a b a q u s 建立实验模型，结合编写的用户子程序 v u m a t 来模拟准静态和动态下的实验，并将结果进行对比分析，得出实验和模 拟的一致性较好，说明单胞模型和用户子程序的准确性。 第六章对全文工作进行总结，并对以后的工作进行了展望。 求华大学硕士学位论文 第二章麓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 影响复合材料机械性能的因素有很多，如纤维纱线种类、材料组分的性质、 组分相对含量、纺织增强体结构等。在外载荷下，增强相纤维承受大部分载荷， 丽基体则承受纤维闻剪切力，起力的传递和防止纤维屣曲作用。因此，在织物 织造过程中应该尽量减少纤维或纱线的损伤，这样才不影响复合材料的最终机 械性能。本章将分别介绍作为增强相的三维正交机织物及其成型工艺v a r t m 。 2 1 三维正交机织物的织造过程 对予一些高性能的纤维来说，纱线在织造时由于和织机发生摩擦、磨损， 使褥在织造过程中的破坏影响三维正交机织物最终的机械性能，如拉伸性麓， 压缩性能等【4 1 删。研究表明，磨损破坏使纱线的拉伸强度能够降低3 0 左右。 因此，减少纤维在轴向的卷蓝和在织造过程中的磨损破坏是提高三维织物机械 性能的关键。织造原理见图2 - 1 。 i 。 卧 壤乳田 ii i 、d 。l刁忿 圆 。i o oo lio oo li o oo ooo li oooli l 上兮 i - _ _ _ 吲 l 圈团 豳 | 纬纱 东毕大学硕学位论文第二二章三维正交机织复合材料的制作 目平行的经纱层，然后七根纬纱在箭杆的带动下沿着垂直于经纱的方向来回曜 八，并穿过经纱层和上下两层z 纱所形成的七个空隙，z 纱则与经纱和纬纱在 空问各成9 0 。上下交织，这样形成的织物并不像二维织物样会发生经纱的移 动，而是相互平行运动，从而减少了经纱的磨损。其次，许多三维织物是利朋 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摄终来绑定整个织物，最大程度碱! p 纱 线的损伤。最后，三维正交织机的生产速度就要比二维织机慢，因为它小像二 维织机一样一次只能生产单层织物，而是生产多层织物。因此，这样就更加减 少了制造过程中对纱线破坏的因素。三维正空机织分为三个系统的纱线：经纱、 纬纱和z 方向的纱，最终织造出来的织物如图2 - 2 。 毹海0 镒嘲谴糊曦州枫冲滴 藏0 磊盏，“。，。；。j 。茹越 圈2 - 2 三维正交机织物 本次试验所采用增强体的是玻璃纤维织物，厚度为7 r a m 。经向、纬向和z 向均采用中国巨石集团的无捻无碱e 玻璃纤维，其参数规格如表2 1 所示。 22 复合材料的成型 22 1 复合材料成型概述 复合材料的成型方法很多，包括基本的热固性树脂基复合材料的成型力法 东华大学硕士学位论文 第二章麓维正交机织复合材料的制作 如手糊成型、树脂传递模塑成型技术( r t m 技术) 、s m c 、模压成型等，以及 2 1 各向纱线的技术参数 皴 。种类层数线密度密度 纱线 ( t e x ) ( 根1 0 c m ) 经纱 e - g l a s s 六层1 2 0 05 0 6 纬纱 z - g l a s s 七层1 2 4 9 5 z 纱 z - g l a s s 6 0 0 基本的热塑性拷滕基复合材料的成型方法，如：注塑、挤出等。树脂在材料成 型中的作用主要包括三个方面：粘结、传递载荷与均衡载荷以及树脂本身特性 的作用。 树脂本身不能直接应用，必须再向树脂中加入第二组分在一定的温度条件 下进行交联固化反应，生成体型网状结构的离聚物后才能使用。这个第二组分 叫固化剂。固化速度和固化后树脂的性能在很大程度上取决予固化剂的化学结 构。在环境温度比较低的情况下，树脂和固化裁之间的反应很慢，为了加速二 者之间的化学反应，通常要加入促进剂。 本课题中，树脂采用的是上海新华树脂厂生产的3 0 7 - 3 不饱和聚酶，其技 术参数如表2 - 2 所示。固化剂为过氯化甲乙酮，促进剂为辛酸钴，三者溶液的 配置比例为1 0 0 ：4 ：2 。 表2 - 23 0 7 3 不饱和聚酯的技术参数 外观酸值粘度凝胶时间主要特性 微黄至淡黄色 2 昏3 4 o 3 6 国。6 6 3 0 r a i n 在过氧化物豹引发下可以胶 液体联，聚合抗水性好，强度高 2 。2 。2 复合材料成型过程 在众多的成型工艺中f 删j ，真空辅助树脂传递成型技术( v a r t m ) 是以真 1 0 求华大学硕士学位论文 第二章黧维正交机织复合材料的制作 空辅助树脂传递模压法，先将增强纤维填充在密封的模腔中，再利用压力使液态 树脂注入模腔浸润纤维，固化成型丽褥到制鼎。这种方法制造出来的材料表蟊可 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。鉴于这种技术 的有点，本课题所采用的是便是这种成型工艺，其主要包括以下几个阶段：织物 准备、模具及辅料准备、密闭封装、树脂调配、树脂注入、固化成型、脱模后处 理等阶段，图2 3 为v a r t m 的工艺流程图。 图2 - 3v a r t m 的工艺流程图 此次成型的工具主要有：电子秤、玻璃板、真空袋、导流管、刮板、密封胶 真空泵、非织造粘等。复合材料的制作工艺如图2 - 4 所示。首先将实验台上的玻 璃用酒精擦洗干净，等玻璃干后用密封胶围成比织物瑟积稍大的长方形( 密封胶 要紧紧粘住玻璃) ，并在长方形区域内均匀的涂上一层薄薄的脱膜剂( 最好是擦 兰遍) ，为防止织物和玻璃粘在一起，等脱膜荆干后，爵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，这样就可以防止树脂粘住玻璃，以便固化成型盾玻璃能 够脱离复合材料，并能保证复合材料上下表面的平整性。这时就可以把真空袋沿 饕密封胶带牢牢的粘住以封盖住整个织物，保证整个装置的气密性。有时，为了 防止玻璃划破真空袋，还要在盖住织物的玻璃边沿垫上非织造粘。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。 在真空泵工作以后，通过管道将密封袋内的空气逐渐排出，在织物内形成负 压，树脂罐内的树脂在大气压力下，通过树脂注入管流进树脂分配管，使预型件 被树脂浸渍，并逐渐流向排出口，直至充满整个织物。由于各处的树脂不可能同 东华大学顾学位论文第一章三维正交机织复合材料的制作 时到达排出口，多余的树脂由树脂收集瓶储存。待树脂浸满整个织物后，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 树脂在促进剂和固化剂的作用下发生了化学反应，生成网状结构的大分子，并且 树脂溶液已经开始成为凝胶状，在此过程中真空泵仍在工作，以使密封袋内保持 足够的真空度，使织物在压力下与树脂复合固化。等待2 3 小时后温度已经完全 冷却下来，便可揭掉真空袋，将玻璃用器械去掉，并取出固化好的复合材料。成 型的复合材料上下表面都很光滑，且在光的映射下能够透明。v a r t m 装置如图 2 _ 4 所示。 粟 ”i 8 、 翻2 4 v a r t m 装置图 固化成型后的材料及其横截面如图2 - 5 所示 餮 图2 - 5 三维正交机织复合材料及横截面 戳管霸誊滤戆滢潘隧谶罐豢一零一m羲雷蠢g 鬣簿碜|i豢鬻誊鼍 番番复霉 鬟童再薯t霉瓤 01搴嚷ui 东毕大学碰士学位论文第= 章三维f 交机织复台材料的制作 23 试样加工 固化好的板材尺寸大约都是3 2 0 m m x 2 2 0 m r a x 7 m m ，分别沿着经向和纬向在 切割机上切割成试验用的试样尺寸。试样经过打磨修剪后尺寸为半径1 5 0 m m 的 圆板，如图2 - 6 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，将挑选后的试样进行编号，然后在m t s 实验机和分离式h o p k i n s o n 压杆上 分别做准静态和动态点冲击实验。由于本次试验是圆形板材，故而没有经向与 纬向之分。 陶2 - 6 材料试样 东华大学硕士学位论文第三章h o p ki n s o n 压杆装置和动态点冲击实验 第三章h o p k i n s o n 压杆装置和动态点冲击实验 研究动态冲击下材料的力学性能，必须研制基于动力学理论基础和实验原 理的试验装置，而且这种装置必须是可靠和可行的。本章主要介缨h o p k i n s o n 压杆装置，并利用m r s 实验机和分离式h o p k i n s o n 拉杆实验方法来研究在准静 态和动态冲击下三维正交机织复合材料的机械性能。 3 。1 h o p k i n s o n 压杆装置 3 1 1 改进的分离式h o p k i n s o n 压杆 如第一章所述，h o p k i n s o n 于1 9 1 4 年提出压杆技术来测量应力脉冲信号，经 k o l s k y 改进，h o p k i n s o n 杆技术可广泛应用于测试材料在单轴动态压缩下的动态 力学行为，进而确定材料在高应变率下的力学行为。该技术的理论基础是一维应 力渡理论，透过测定两根匿杆上的应交来推导试件材料的应力应变关系，嚣此 是一种间接的、但又是十分简单的方法。s h p b 技术发展到现在，除了用于动态 压缩实验，建立材料的动态本构关系以外，还从单一的金属材料发展到复合材料 和高分子材料。典型的分离式h o p k i n s o n 装置如图3 1 所示。试样夹在两杆之间， 当高压气体瞬间释放推动一撞击杆( 子弹) ，以一定速度撞击入射杆时，将产生 一入射弹性应力脉冲。随着入射波传播通过试件，试样发生高速塑性变形，并相 应地在透射杆中传播一透射弹性波，薅在入射杆中则反射回一反射弹性波。这些 入射、反射和透射脉冲的大小取决于试样材料的性质。在加载脉冲的作用期间， 图3 1 典型的分离式h o p k i n s o n 装置图 试样中发生了多次内反射，嚣为加载脉冲的作用时间比短试样中波的传播时闻要 长得多。而多次的内反射使试样中的应力很快趋向均匀化，故可以忽略试样内部 东华大学硕士学位论文第兰章h o p k i n s o n 压杆装置和动态点冲击实验 的波的传播效应。透射波由吸收杆“捕获”，并最后由阻尼器吸收。由测得的入 射波、反射波和透射波，在应力波分析基础上，可确定材料的动态应力应变关系。 本次实验采用的改进的分离式h o p k i n s o n 压杆来测试复合材料的弯曲性能， 其装置如图3 2 所示。在做动态点冲击实验时，输入杆直接撞击由夹具夹持的试 样，超动态应变仪将应变片所测得的信号通过数据采集卡反馈到电脑上，记录测 得的应力波形。实验所用夹具自行设计并被固定到实验台上，以保证测得信号的 准确性。 3 1 2h o p k i n s o n 测试原理 图3 2 改进的h o p k i n s o n 装置 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【4 6 卅。如图3 3 所示，h o p k i 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 度分别为2 0 0 r a m 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 杆中间，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j 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，( f ) ，波