二维机织复合材料渐进损伤分析与试验研究

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二维机织复合衬垫的自润滑关节轴承是航空、航天飞行器上重要零部件之一,其结构的可靠性,对航空器整体安全起到至关重要的作用。轴承性能与可靠性,主要受润滑层机织复合材料特性的影响,尤为关键的是机织复合材料力学性能。机织复合材料的编织形式和组分材料的相互作用与性能,决定其应用的抗损伤能力。通过物理试验可以验证与评定特定结构与组分在特定工况下的力学性能,但不能明确地获知各组分材料细观变化过程与损伤过程。因此,本文基于细观结构模型、组分材料属性以及相互作用关系,利用数值分析方法研究机织复合材料损伤机理,具体研究工作有:基于纤维增强塑料拉伸和压缩试验国标方法,对斜纹机织复合材料进行了基础力学性能的试验分析;并根据纤维增强面内压缩方法,提出了薄层纤维材料的面外压缩方法。通过试验,获得了斜纹机织复合材料的破坏形式、弹性模量和断裂强度。物理试验为数值分析的模型验证以及渐进损伤理论分析提供了基础数据。基于Kevlar49、PTFE纤维丝和树脂基体的刚度和强度特性,通过计算,得到了芳纶纤维束和PTFE纤维束在不同方向的刚度和强度,为计算复合结构的力学性能提供了基础参数。开展了复合结构的材料损伤理论、计算数学模型与技术方法的研究。将表示不同损伤模式的损伤因子代入纤维束和基体的本构方程,得到了对应组分材料的损伤本构方程,通过引入指数损伤演化模型和三维Hashin初始失效判定准则,编写了包含三种组分材料的渐进损伤UMAT用户子程序,并通过铺层复合材料对所建立的损伤数学模型进行了验证。损伤数学模型的建立为数值仿真分析奠定了基础。基于损伤理论、数学模型以及复合结构建模,开展了机织复合材料渐进损伤的数值分析研究。利用显微切片试验得到了纤维束大致的屈曲形态和截面形状,与现有的纤维束模型假设进行了对比,最后选用了双凸透镜截面进行了参数化建模。然后,结合损伤数学模型,利用有限元方法,对平面斜纹机织复合材料,进行了轴向拉伸和面外压缩载荷作用下的渐进损伤分析,得到了组分材料在不同载荷作用下的损伤状态与损伤扩展模式及其规律。通过与物理试验结果对比,验证了数值分析的正确性。本文给出的面外压缩试验方法和细观尺度下的渐进损伤分析模型,为进一步研究机织复合材料提供了参考,为研制高性能机织复合材料,特别是机织复合自润滑衬垫,提供了理论与技术支持。
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