随着高性能纤维在受冲击载荷作用场合的广泛应用,对纤维的冲击拉伸性能进行研究是非常重要的。利用Hopkinson拉杆装置实施纤维束的冲击拉伸是获得纤维束高应变率下拉伸性能的主要手段。但纤维束冲击拉伸试验中透射波信号非常微弱,且易受干扰,为进一步的研究工作带来困难。如果应用数值模拟方法来研究纤维束的冲击拉伸过程,不仅可以得到更为准确的应力波,而且有助于理解高应变率下纤维束的破坏过程。本论文正是围绕纤维束冲击拉伸的数值模拟开展研究。 本课题的研究目标是,以Hopkinson拉杆试验装置为对象,建立一维变截面系统的力学模型,采用数值计算方法模拟试验系统的冲击拉伸过程,并应用该方法模拟纤维束的冲击拉伸过程,分析应变率对拉伸性能的影响,以期探索一种应用虚拟手段研究纤维束冲击拉伸性能的方法。 论文介绍了纤维束冲击拉伸试验装置及试验原理。通过对试验装置及测试原理的分析得知,冲击拉伸试验实质上是应力波在由Hopkinson杆与试样组成的系统中传播,通过对透射波和反射波的分析获得试样的动态力学性能。为了制得合格的纤维束试样,对纤维束缠绕股数进行了估算。结果表明,选用剪切强度高的胶粘剂或适当增加Hopkinson杆中缺口的长度都可以达到增加纤维束缠绕股数的目的。在此基础上,分别实施碳纤维和PVA纤维的冲击拉伸试验,获得了相应的应力波波形,并对测试结果进行了初步分析。 由于冲击拉伸试验装置是一个变截面系统,为准确地模拟纤维束的冲击拉伸过程,建立了一维变截面系统的力学模型。在建模过程中解决了两个关键问题:一是在一维控制方程中考虑截面积的变化;二是确立了纤维的动态失效准则。针对第一个问题,论文将应力以载荷除以截面积表示,体积密度以线密度除以截面积表示,对质量守恒方程、动量守恒方程和弹性本构方程进行修正,建立了适用于应力波在变截面系统中传播的一维模型,为应力波传播过程的数值模拟打下了基础。针对第二个问题,建立了纤维的应变失效准则,即以纤维的应变达到断裂应变作为判断纤维断裂的条件。此外,应用单Weibull和双Weibull分布分别描述了碳纤维和PVA纤维的断裂强度,获得了两种纤维束的统计本构关系,并用该本构关系对测试结果进行了拟合分析。 之后,论文建立了基于SPH方法的数值模拟方法,为纤维束冲击拉伸模拟提供了必要的计算方法。在总结SPH方法基本原理的基础上,指出了该方法在应力波传播过程模拟中尚存在的两个问题,即自由端和固定端两种不同性质边界的