三维五向编织复合材料渐进损伤分析及强度预测

基于五向编织复合材料连续体细观结构单胞,提出了材料的三维渐进损伤分析模型,采用非线性有限元方法并结合均匀化平均思想,建立了三维五向编织复合材料的强度预测胞元模型.经研究典型编织角材料在拉伸载荷作用下细观损伤的发生及演化过程,分析了材料的细观失效机理,获得了材料的宏观拉伸应力应变曲线和极限破坏强度,并详细探讨了工艺参数编织角对材料宏观力学性能的影响规律.     

三维编织复合材料几何建模及数值分析

论文根据三维编织复合材料的结构特点,把整体结构分为内部单胞、表面单胞和角单胞三种类型的子单胞,考虑空间纤维束的相互扭结和挤压所造成的纤维束的弯曲和截面变形,针对每种类型的子单胞,建立了相应的几何分析模型.引入周期性位移边界条件,建立了材料的弹性性能预报模型,得到了三维编织复合材料的工程弹性常数.通过数值比较可以看出,论文所给出的数值计算结果与实验结果吻合较好,从而验证了本文模型的有效性.     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性模型及强度分析

建立了考虑周期性位移边界条件的细观体胞模型，对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟。采用Eshelby-Mori—Tanaka方法计算含损伤裂纹的材料的剐度矩阵，并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程，有效地降低了模拟结果对有限元网格的依赖程度。通过计算得到了材料应力应变的非线性关系和失效时的极限强度，并分析了材料的破坏机理。结果表明，大编织角材料的破坏模式主要是基体失效与纤维横向拉剪破坏，模拟计算结果与文献中的实验值吻合较好。     

三维编织复合材料圆柱壳在外压作用下的屈曲分析

提出一种三维四向编织复合材料圆柱壳的细观力学模型,宏观上基于Reddy高阶剪切变形理论和广义Kármán型方程,采用奇异摄动法求解在固支边界条件下三维四向编织复合材料圆柱壳在外压作用下的屈曲和后屈曲.分析中同时考虑非线性前屈曲、大挠度和初始几何缺陷的影响.讨论了纤维体积含量、壳体几何参数等因素对圆柱壳屈曲行为的影响.     

二维三轴编织复合材料的弹性性能分析

提出了二维三轴编织复合材料的几何模型，模型考虑了纤维束的弯曲扭转状态及空间交错特性等几何元素。基于体积平均法，建立了预测二维三轴编织复合材料弹性性能的理论分析模型；通过引入更普遍适用的周期性位移边界条件，结合二维三轴编织复合材料的细观实体结构，建立了分析其力学性能的有限元模型。两种模型预测结果均与试验结果吻合，证明了方法的合理有效性。分析了材料受载下的细观应力分布，并讨论了编织参数对材料性能的影响。研究表明，二维三轴编织复合材料轴向性能得到了增强，应力分布更均匀，编织角以及纤维体积含量对材料弹性性能影响较大。     

2D编织陶瓷基复合材料应力-应变行为的试验研究和模拟

该文对2D编织陶瓷基复合材料的拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟.将2D编织结构简化为:正交铺层结构和纤维束波动结构.基于Curtin和Ahn提出的基体随机开裂、纤维随机断裂的统计分布理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分分割为若干子单元;由于纤维束的波动使各子单元材料方向与加载方向不一致,因此考虑了各子单元的线性行为和非线性行为对材料响应的影响,同时引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系.结合正交铺层部分和纤维束波动部分的应力-应变关系,得到2D编织结构的应力-应变行为,理论与试验结果吻合较好.     

平纹编织陶瓷基复合材料面内剪切细观损伤行为研究

采用约西佩斯库(Iosipescu)纯剪切试件,研究了平纹编织Si C/Si C和C/Si C复合材料的面内剪切应力-应变行为和细观损伤特性.通过试验获得了材料不同方向上的单调和迟滞应力-应变行为,对比分析了两种材料的剪切损伤特性,结果表明材料的剪切损伤演化规律受热残余应力水平影响严重.由试件断口电镜扫描结果发现剪切加载状态下桥连纤维承受显著的弯曲载荷和变形,据此提出了纤维弯曲承载机制,并结合裂纹闭合效应分阶段阐释了材料的剪切迟滞环形状.基于材料的剪切细观损伤机制,通过两个损伤变量表征了材料的剪切损伤演化进程,得到了材料的面内剪切细观损伤演化模型.对比发现2D-C/Si C复合材料45?方向基体裂纹的起裂应力明显小于2D-Si C/Si C复合材料,而两者0?/90?方向裂纹的起裂应力基本相同.     

三维编织复合材料圆柱壳的扭转后屈曲分析

随着三维编织复合材料应用的日益广泛,且由于三维编织复合材料的优异性能是与细观结构密切相关的,深入研究其细观结构显得尤为重要.本文通过研究三维圆型编织中所形成的空间纱线交织结构的特征,给出改进的三胞结构单胞模型,通过单胞的组装和变换,得到编织预制件的整体力学性能模型.基于Reddy高阶剪切变形理论导得广义Krmn型大挠度方程,计及边界层效应,采用奇异摄动法,考虑非线性前屈曲、大挠度和初始几何缺陷的影响,给出三维四向编织复合材料圆柱壳在扭转载荷作用下的严格满足边界条件的大挠度渐近解,讨论了纤维体积含量、编织角和几何参数等因素对圆柱壳屈曲和后屈曲行为的影响.     

编织复合材料弹性性能的细观力学模型

提出了编织复合材料弹性性能分析的细观力学模型，这个力学模型考虑了实际编织结构中的纬向和经向纤维束的曲屈，相邻纤维束之间的间隙和纤维束的横截面尺寸对编织复合材料弹性性能的影响，并探讨了在纤维束间纯树脂区内孔隙的含量和两种叠层结构对材料弹性性能的影响．理论计算结果与实测值的比较，表明所提出的细观力学模型是合理的．根据理论分析的结果，提出了优化单层和叠层编织结构的结构参数选择方法     

含孔平面编织混杂铺层层合板压缩破坏仿真

对ANSYS软件平台进行了二次开发，建立了平面编织混杂铺层层合板损伤累积有限元模 型，对含孔平面编织混杂铺层层合板的压缩破坏行为进行了仿真计算. 研究结果表明，所建 模型能够较好地仿真含孔平面编织层合板的损伤破坏过程，并能准确预测层合板的 损伤类型、损伤扩展以及破坏强度；同时提出并验证了适合该类型层合板的损伤判 据和衰减准则. 该模型所给结果形象直观，适合工程应用.     

Nonlinear viscoelastic multi-scale repetitive unit cell model of 3D woven composites with damage evolution

Three-dimensional (3D) textile composites have great potential applications to aircrafts and high speed vehicles because of the high strength/weight ratios and the capabilities of manufacturing complex, net-shape preforms. This paper reports the nonlinear viscoelastic responses and damage mechanisms of one kind of 3D textile composites, named as 3D orthogonal woven composite (3DOWC) under quasi-static tensile loading based on a micro/meso-scale repetitive unit cells (RUCs) model. In the RUCs model, the resin is described with a nonlinear viscoelastic material and the fibers/tows with an elastic material. The damage initiation and propagation in resin are simulated by the post-damage constitutive models with maximum principal theory failure criteria. The fibers/tows impregnated with resin are defined by elastic transverse-isotropic material model with ultimate strengths failure of ‘expanded smeared crack’ both along and perpendicular to fibers/tows axis direction. The engineering parameters and ultimate strengths of homogenized fibers/tows filled with matrix in meso-RUCs model are transferred from the numerical analysis of the micro-RUCs. The results are compared with experimental and theoretical values of RUC deformation and damage initiation and propagation under monotonic axial loading. The methodology of establishing the nonlinear visco-elastic multi-scale model of 3D textile composites without introducing the real fabric architecture in finite element analyses is explained. With the multi-scale RUCs model, the mechanical behaviors of other kinds of 3D textile composites can also be predicted.     

三维机织复合材料力学性能研究进展

对近年来关于三维机织复合材料力学性能的研究作了综述和归 纳。研究表明,三维机织复合材料的力学性能不仅取决于纤维和基体 的性能,而且与三维增强结构形式密切相关。通过对三维机织增强结 构的研究,获得了机织复合材料的细观结构和主要力学特征的关系, 强调了增强纤维束轴向几何特征和截面形状对材料细观结构的重要影 响。试验研究集中于观测机织复合材料的破坏模式,以分析三维机织 结构对阻止损伤微裂纹扩展的贡献。理论分析方面较为成熟的研究是 三维机织复合材料线弹性力学性能,其研究基础是层板理论模型、取 向平均模型和有限元分析模型。而对强度及损伤方面的研究还有待于 进一步的工作。本文对当前研究工作中的关键问题进行分析,并就今 后的研究工作发表一些看法。     

三维四向编织复合材料的拉伸尺寸效应研究

通过对三维四向碳/环氧编织复合材料的拉伸实验,观测了不同几何尺寸的试件的破坏模式和断口形貌,得到了材料在拉伸载荷下不同的破坏机理以及材料的力学性能与试件几何尺寸的相关性,研究表明材料随着内部单胞数量的增加材料的弹性模量递减,而剪切模量和泊松比递增的变化规律,通过体积平均法从理论上预报了材料的弹性性能,预报结果与实验结果相符,实验和理论所获结论为进一步进行材料的刚度和强度预报以及强度准则的建立奠定了必要的实验和理论基础.     

缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.      

STUDY ON NONLINEAR CONSTITUTIVE RELATIONSHIP AND FRACTURE BEHAVIOR OF STITCHED C/SiC COMPOSITES$^{\bf 1)}$

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.     

Theoretical prediction of stiffness and strength of three-dimensional and four-directional braided composites

Based on unit cell model, the 3D 4-directional braided composites can be simplified as unidirectional composites with different local axial coordinate system and the compliance matrix of unidirectional composites can be defined utilizing the bridge model. The total stiffness matrix of braided composites can be obtained by the volume average stiffness of unidirectional composites with different local axial coordinate system and the engineering elastic constants of braided composites were computed further. Based on the iso-strain assumption and the bridge model, the stress distribution of fiber bundle and matrix of different unidirectional composites can be determined and the tensile strength of 3D 4-directional braided composites was predicted by means of the Hoffman＇s failure criterion for the fiber bundle and Mises＇ failure criterion for the matrix.     

Finite element modelling of woven composite failure modes at the mesoscopic scale: deterministic versus stochastic approaches

Textile composites are composed of 3D complex architecture. To assess the durability of such engineering structures, the failure mechanisms must be highlighted. Examinations of the degradation have been carried out thanks to tomography. The present work addresses a numerical damage model dedicated to the simulation of the crack initiation and propagation at the scale of the warp yarns. For the 3D woven composites under study, loadings in tension and combined tension and bending were considered. Based on an erosion procedure of broken elements, the failure mechanisms have been modelled on 3D periodic cells by finite element calculations. The breakage of one element was determined using a failure criterion at the mesoscopic scale based on the yarn stress at failure. The results were found to be in good agreement with the experimental data for the two kinds of macroscopic loadings. The deterministic approach assumed a homogeneously distributed stress at failure all over the integration points in the meshes of woven composites. A stochastic approach was applied to a simple representative elementary periodic cell. The distribution of the Weibull stress at failure was assigned to the integration points using a Monte Carlo simulation. It was shown that this stochastic approach allowed more realistic failure simulations avoiding the idealised symmetry due to the deterministic modelling. In particular, the stochastic simulations performed have shown several variations of the stress as well as strain at failure and the failure modes of the yarn.