多轴向经编曲面复合材料低速冲击性能研究

多轴向经编曲面复合材料低速冲击性能研究多轴向经编复合材料(MWKC),是纤维增强复合材料的重要类型之一,近年来受到了越来越广泛的关注。其增强结构——多轴向经编织物(MWK)是典型的无屈曲结构,纱层轴向对称,取向性强,可设计性强。由于其纱层无交结,因此,与传统机织或编织复合材料相比,极大程度地避免了纱线交结部位的树脂聚集区的出现,同时,MWK具有良好的树脂导流性和浸润性,成型性能优异,可制备超薄、超厚的平面或曲面复合材料。在多轴向经编复合材料的实际生产、装配、运输、使用和维修过程中,通常会不可避免地遇到例如工具掉落、碎石飞溅、接触撞击等低速冲击事件。而且,该材料在实际应用领域里多以曲面部件的形式存在。因此,研究多轴向经编曲面复合材料在低速率冲击作用下的损伤机理具有较强的现实意义,同时也是本课题的研究重点。课题通过实验分析与数值模拟相结合的方法,采用准静态冲击性能和低速冲击性能协同研究的方式,揭示多轴向经编曲面复合材料的低速冲击损伤机理。从增强结构性能、复合材料性能和应用验证实例等多个方面对多轴向经编曲面复合材料的低速冲击性能进行全面而深入的探究。(1)本课题对多轴向经编增强结构的拉伸和撕裂性能进行测试,并分析捆绑纱和轴向纱两个纱线系统在受力之后出现的位移和损伤。研究表明,MWK主要的失效形式表现为:捆绑纱断裂、丝束断裂、纱层或丝束位移。由于捆绑纱的编织方向与0o纱层一致,在其断裂之前,通常与0o轴向纱层共同承载应力,但因其纱线强度低于轴向丝束,导致捆绑纱通常先于轴向丝束断裂,失去对轴向纱的约束,为丝束的位移制造条件。在拉伸和撕裂测试中,纱层中的丝束通过位移改变各轴向间的夹角,以实现其力学贡献。对于多轴向经编增强结构的研究,为后续的多轴向经编曲面复合材料的低速冲击损伤机理分析奠定了一定的基础。(2)采用准静态冲击和低速冲击相结合的研究方式,对不同曲率和不同铺层结构的多轴向经编曲面复合材料的破坏形式和损伤演化进行研究。通过总结分析发现该材料的主要损伤形式包括:基体开裂、纱线断裂、纤维抽拔、层间分层和丝束脱粘等。同时,把“阶段分析法”引入到多轴向经编曲面复合材料的低速冲击性能分析中,将损伤过程分为三个主要阶段,探讨材料的损伤形式和损伤演化过程,分析曲率与材料强度、材料刚度等重要性能之间的关系,并揭示铺层结构与材料内部应力传播、破坏形式和能量吸收之间的联系。此外,还针对多轴向经编曲面复合材料的准静态和低速冲击过程进行数值模拟,通过分析,讨论该类材料在受到准静态和低速冲击时的应力分布和能量吸收性能,通过实验与模拟相结合,对该材料进行力学性能评价,为该类材料的应用提供理论依据。(3)将本研究中的CurvatureC(kC)曲率应用在乘用车车门的冲击区域设计中,进行几何建模,并将多轴向经编曲面复合材料的材料属性定义于车门模型上,对车门的低速碰撞进行有限元模拟,另外,将传统SAPH440钢车门的低速碰撞性能作为对比项,分析多轴向经编曲面复合材料车门的优势,从应力分布、车门侵入量、侵入速度和车门内能等多个角度分析两种车门的性能,并从保护车内成员安全和节能环保等方面进行对比,揭示多轴向经编曲面复合材料在车门壳体应用中的特点与优势,对多轴向经编曲面复合材料低速冲击性能的研究进行有效