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1、可拉伸复合材料 第42卷第1期 20XX年2月 Feb.20XX JournalofNanjingUniversityofAeronautics&Astronautics 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 Vol.42No.1 三维机织复合材料拉伸损伤 王新峰1 陈国军2 周光明1 摘要:采用三维实体有限元方法,结合周期性边界条件,研究了三维机织复合材料在经向拉伸和纬向拉伸载荷作用下损伤的起始、扩展直至最终破坏的全过程。分析中抛弃了以往损伤研究中采用的“单元消失”技术,对破坏的基体单元和纤维束单元均按方向进行刚度折减。制作三
2、维机织拉伸试件并进行了相应的试验,计算结果和试验结果吻合良好,证明了该研究方法的正确性。关键词:复合材料;平面机织;损伤;刚度折减 中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1005-261501-0001-07 ProgressiveFailureAnalysisof3-DWovenComposites UnderTensileCondition 121 WangXinfeng,ChenGuojun,ZhouGuangming Athree-dimensionalfiniteelementmethodisdeveloped
3、tosimulatethedamagebehaviorAbstract of3-Dwovencomposites.Theperiodicboundaryconditionsareappliedtothemodelsduringthe3-Dfi-niteelementanalysistoensurethatboththedisplacementandthestressarecontinuousonboundarysur-faces.The″elementdisappear″techniqueisabandonedandthestiffnessdeg
4、radationsofmatrixesandyarnsareallindirectional.Specimensaremanufacturedandtensileexperimentsareperformed.Predict-edresultsareinagreementwithexperimentalresults.Finally,thecorrectnessoftheanalysismethodisverified. Keywords:composite;plainwoven;damage;stiffnessdegradation 三维机织
5、复合材料是利用机织加工方法将多个系统的纱线连为空间网状结构,然后在一定条件下与基体复合而得到的高性能复合材料[1]。由于其综合性能好、易于整体成型,且大大提高了织物在厚度方向的力学性能,克服了传统层合复合材料层间强度低、不耐冲击的弱点,近年来得到航空航天及其他领域的广泛重视。 由于三维机织复合材料具有许多平面机织复 合材料无法比拟的优点,自问世以来人们对其力学性能预测研究一直没有停止,并提出了相当数量的各种分析模型。对于三维机织复合材料的研究主要集中在两个方面:细观几何结构和理论分析方法。在细观几何结构方面,众多学者关注的焦点集中在纤维束的截面
6、形状和经纱的屈曲轨迹上。最初分析中引用Peirce[2]平纹织物中的圆形截面假设;周光明等 [3-4] 采用椭圆形截面假设建立模型;而跑道形 基金项目:江苏省自然科学基金重大资助项目;国家自然科学基金资助项目。 收稿日期:20XX-07-12;修订日期:20XX-11-02 作者简介:王新峰,男,讲师,1976年6月生,E-:xinfengw@nuaa.edu.cn。mail 2 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报第42卷 截面则被丁辛[5-6]等用来计算经纱的屈曲;燕瑛等[7]采用凸透镜截面假设进行分析。以上分析均是首先在假设纤
7、维束截面形状的基础上,认为经、纬纱线紧密接触来确定纱线轨迹,进而得到其细观几何结构。杨连贺借助三次多项式样条曲线拟合经、纬纱线轨迹,建立了交叉曲面板模型进行刚度预报。理论分析方法多以层合板理论为基础,通过纤维束在空间上的刚度矩阵转换,按体积加权得到三维机织复合材料的宏观弹性性能。其他的分析方法有等效子元模型[9]以及半解析的梁元模型[10]等。以上方法能够反映出纤维体积含量、纤维弯曲或倾斜角度等细观参数对材料弹性常数的影响,但作了较多的简化,对于细观应力应变的描述不够精确,对于更深层次的力学行为研究更显得不足。 目前的研究大多集中在三维机织复合材
8、料刚度性能研究方面,关于强度研究的报道较少。燕瑛等采用倾斜层板模型,通过经典层板理论中的应力转换预测了三维机织复合材料的经
