三维面芯编织复合材料力学性能及渐进损伤研究

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1、中图分类号：TB332论文编号：102870116-B053学科分类号：080104博士学位论文三维面芯编织复合材料力学性能及渐进损伤研究研究生姓名孙琎学科、专业工程力学研究方向工程问题的计算机建模与仿真指导教师周光明教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一六年十月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchonMechanicalPropertiesandProgressi

2、veDamageof3DSurface-coreBraidedCompositesAThesisinEngineeringMechanicsbySunJinAdvisedbyProf.ZhouGuangmingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyOctober,2016承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发

3、表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要三维面芯编织复合材料是在传统三维编织复合材料基础上提出的一种新型三维编织结构，相比于传统三维编织结构能有效抑制由表面损伤引起的力学性能退化，因此有望进一步拓宽编织复合材料的应用范围，尤其在一些相对恶劣且可能伤及材料表面的环境中

4、，或在一些需要对结构件进行切割的场合中，更能发挥其特有的优势。作为新材料，其各项力学性能的研究工作尚未开展，细观失效机理尚不清楚，性能优势有待验证。为深入研究三维面芯编织复合材料的力学性能及损伤机理，本文紧紧围绕其细观结构建模、等效弹性性能预测、渐进损伤分析及强度预测等内容展开研究。主要内容包括：（1）根据三维面芯四向编织工艺携纱器的运动规律，研究材料内部、表面及棱角各区域纱线的平面及空间运动轨迹和分布规律。采用三细胞划分方案，分析材料内部、表面和棱角单胞纱线的空间构型。重点研究内部纱线的挤压关系，考虑各区域纱线的挤紧状态不同，对其

5、横截面形状分别做出假设，进而确定编织参数及各单胞结构参数间的关系，从而建立三维面芯编织复合材料的三细胞几何模型。（2）选取纱线横截面尺寸及内部编织角作为输入参数，建立三维面芯编织复合材料的参数化三细胞实体结构模型。引入一般周期性边界条件，基于ABAQUS软件平台，并结合均匀化平均思想，建立预测材料等效弹性性能的三细胞有限元模型，进而得到各单胞及材料整体的等效弹性性能，在此基础上探讨工艺参数编织角和纤维体积含量对材料等效弹性性能的影响规律，重点分析纵向拉伸和面内剪切载荷下各单胞模型的力学响应特征。（3）基于细观周期性胞元分析思想，采用

6、非线性有限元方法，通过ABAQUS软件及用户定义材料子程序UMAT，建立三维面芯编织复合材料渐进损伤分析及强度预测模型。模型中将三维剪切非线性应力-应变关系用于描述纤维束本构关系，选用Hashin失效准则和VonMises准则分别作为纤维束和基体的失效判据，并提出相应的材料性能退化方案。通过仿真计算，深入研究材料在纵向拉伸及面内剪切载荷作用下细观损伤的起始和演化过程，预测材料的拉伸和剪切强度，并探讨编织参数编织角对材料拉伸及剪切力学行为的影响规律。（4）选取三维四向编织复合材料作为比较对象，将其与三维面芯编织复合材料切割前后共计四种

7、结构制作成试件，分别进行纵向拉伸及面内剪切实验。根据所得实验数据，定量分析两种材料受切割前后拉伸及剪切性能的变化情况，对比表面切割对二者力学性能造成的影响，验证新材料相比于传统编织结构是否能够有效抑制由表面损伤导致的力学性能退化。通过对失效试件进行观测，分析每种结构的失效机理。关键词：三维面芯编织，细观结构模型，三细胞模型，有限元分析，等效弹性性能，渐进损伤I三维面芯编织复合材料力学性能及渐进损伤研究分析，强度预测，表面切割本文的研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：11272147）和江苏高校优势学科建设工程项目的资助。本文工

8、作在机械结构力学及控制国家重点实验室完成。II南京航空航天大学博士学位论文ABSTRACTThree-dimensional(3D)surface-corebraidedcomposite,developedfromtradition