機織針織混編結構復合材料沖擊拉伸性能與破壞機理.pdf

1、機織針織混編結構(Co-Woven-Knitted,以下簡稱為CWK)織物是將機織物中經紗與緯紗在編織過程中分別同時插入到緯編針織物中形成特殊的機織與針織共存結構,其兼具機織物的結構穩(wěn)定性與針織物的適型性。插入經紗與緯紗既可以準確控制針織復合材料的各向異性程度,還可以提高纖維體積含量,增大織物拉伸強度、剛度與能量吸收性能。該增強結構在復合材料工程結構設計中有較大優(yōu)勢,本文基于該增強結構的混編優(yōu)點,著重研究機織針織混編結構復合材料(以下簡

2、稱CWK復合材料)沖擊抗拉伸性能與破壞機理。主要內容包括CWK復合材料沖擊拉伸性能、復合材料破壞過程有限元模擬、沖擊拉伸失效機理的頻域分析。
　　(1)在MTS (Materials Testing System)材料測試系統(tǒng)與分離式霍布金森拉桿裝置(Hopkinson Tension Hopkinson,以下簡稱SHTB)上分別測試CWK復合材料在準靜態(tài)(0.001/s)與高應變率條件下(最高達2586/s)的拉伸性能,分析拉伸

3、剛度、斷裂強度、失效應變、能量吸收與破壞模式的應變率效應。實驗發(fā)現(xiàn)CWK復合材料具有明顯的應變率效應。拉伸強度、失效應變、能量吸收和能量回復都具有應變率敏感性。拉伸強度、能量吸收和能量回復隨應變率增加而顯著增加。CWK復合材料在準靜態(tài)率下破壞模式為纖維斷裂和和基體剪切破壞,在高應變率下為纖維抽拔失效。
　　(2)根據(jù)CWK復合材料的細觀結構,構建CWK復合材料的單胞模型并推導剛度矩陣,運用FORTRAN語言編寫材料屬性用戶自定義子

4、程序(Vectorized User-defined Materials Subroutine,簡稱VUMAT),結合商用有限元軟件ABAQUS/Explicit數(shù)值模擬計算CWK復合材料在高應變率下的沖擊拉伸性能破壞過程與破壞形態(tài)。研究表明所建立的單胞模型可以精確計算CWK復合材料沖擊拉伸性質,并可以推廣至CWK復合材料工程結構沖擊響應設計。
　　(3)將CWK復合材料在各應變率下拉伸應力-時間信號與應變-時間信號用快速傅里葉變

5、換研究在不同拉伸應變率下的幅值特征、相位特征與能量吸收特征,結果表明復合材料在沖擊拉伸下對應變率敏感,在準靜態(tài)下振幅與能量分布接近于零附近頻域,高應變率下振幅與能量分布于較高頻域。結論表明CWK復合材料在高頻域區(qū)具有較好的能量吸收性能,復合材料在高頻率下具有優(yōu)異的抗沖擊性能。
　　(4)用Hilbert-Huang變換將CWK復合材料在各應變率下應力-時間信號與應變-時間信號在頻域內研究復合材料的沖擊拉伸性能。應力-時間信號用Hi

6、lbert-Huang變換方法分解成固有模態(tài)函數(shù)獲得頻率時間譜,在時間域和頻率域觀察沖擊拉伸整個破壞過程。頻率分布說明不同頻率范圍對應一定破壞模式。復合材料在沖擊拉伸時,纖維斷裂、纖維抽拔、樹脂裂縫和樹脂剪切破壞等失效模式對應著特定的頻率范圍。
　　(5)用系統(tǒng)函數(shù)在頻域內研究CWK復合材料沖擊拉伸特征。復合材料分別作為連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng),應變-時間信號作為輸入和應力-時間信號作為輸出,得到兩種系統(tǒng)下的系統(tǒng)函數(shù)、振幅響應、相位響應