论文部分内容阅读
三维编织复合材料抗分层能力强,冲击损伤容限高,在航空航天、高速列车和汽车制造中得到广泛应用。在高速冲击载荷下,应力波可在不同界面来回反射,试件经常经历多次应力波冲击加载。本文旨在探究三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料多次冲击压缩载荷下破坏过程和失效机理,以及编织角对多次冲击压缩变形和破坏的影响。主要研究内容:(1)在分离式霍普金森压杆上测试复合材料试件冲击压缩力学性能,并用高速摄影相机记录试件多次冲击压缩载荷下每个冲击波内破坏过程,分析破坏过程和失效形式。(2)建立细观尺度全尺寸有限元模型,数值模拟三维编织复合材料多次冲击压缩载荷下破坏过程;分析纱线、树脂和界面在每个冲击波内破坏失效形式以及破坏分布;计算复合材料及各组分在每个冲击波内能量吸收大小,分析对应能量吸收机理。(3)对比不同编织角度试件在面内面外两种方向冲击载荷下破坏过程和机理,结合实验表征和有限元模型,分析编织角对试件应力应变曲线、失效模式和每个冲击波内能量吸收特征影响,揭示试件面内和面外方向多次冲击压缩编织角效应。主要结论:(1)复合材料试件在不同冲击波内失效模式、破坏区域各不相同:塑形变形主要在第一个冲击波,刚度降解主要发生在第二个冲击波;基体和界面在第一个冲击波开始刚度降解;纱线则在第二个冲击波才开始;纱线吸收能量比例随冲击波数增加而增加;试件主要吸能成分会由第一个冲击波的树脂逐渐转变为第三个冲击波的纱线。(2)编织角对试件面外冲击方向破坏失效特征有明显影响。小编织角试件(15°)应力应变曲线呈现脆性失效特征,试件局部破坏特征明显,纱线之间相互作用力较小,试件沿轴向变形大;大编织角试件(26°和37°)应力应变曲线则呈现韧性失效特征,试件破坏分布较均匀,纱线之间相互束缚作用大,试件沿轴向变形小。编织角较小时,试件失效特征在特征点前后有明显区别;编织角较大时,试件呈现渐进破坏过程,失效特征在特征点前后无明显变化。编织角改变时,纱线吸能比例也相应改变。第一个冲击波37°试件纱线吸能比例最高,第二第三个冲击波15°和26°试件纱线分别吸收最高比例冲击能量。(3)编织角对试件面内冲击方向破坏失效特征有明显影响。小编织角试件(15°)最终失效与纱线和界面损伤有关;大编织角试件(26°和37°)最终失效与树脂和界面损伤有关。15°试件纱线失效模式为断裂滑移,26°试件纱线失效模式为断裂弯曲,37°试件纱线失效模式为倾斜变形。编织角对纱线承担载荷,吸收能量比例有明显影响。小编织角试件纱线承担载荷明显高于大编织角试件。随编织角度增加,试件主要吸能成分逐渐由纱线向树脂转变。编织角对试件损伤区域有明显影响。小编织角试件(15°)树脂和界面破坏分布较集中,而大编织角试件(26°和37°)的破坏均匀分散在整个加载面上。(4)试件面内面外破坏过程和失效机理有显著区别。以15°试件为例:面内冲击时,试件在第一个冲击波破坏最严重,试件损伤主要为界面和纱线破坏。面外冲击压缩时,试件在第二个冲击波破坏最严重,试件损伤主要为界面和树脂破坏。面内冲击时,纱线在三个冲击波内都是主要吸能成分。冲击结束时,试件编织结构完全解体为单根纱线;面外冲击压缩时,纱线只在最后两个冲击波是主要吸能成分。冲击结束时,编织结构保持较为完整。本研究阐明三维编织复合材料在多次冲击压缩载荷下破坏失效过程。从破坏过程、失效模式、能量吸收等方面揭示了编织复合材料在每个冲击波内破坏失效机理及其编织角效应。对提高三维编织复合材料抗冲击性能和结构安全设计有重要意义。