發(fā)布時間：2018-05-04 20:08

  本文選題：三維編織復合材料圓管 + 橫向沖擊��； 參考：《東華大學》2017年博士論文

【摘要】：三維編織結構復合材料具有增強結構整體性,克服傳統(tǒng)層合板復合材料易分層等缺點。三維編織復合材料圓管具有較高剪切強度和抗沖擊損傷容限,在航空航天領域潛在應用包括:機身圓筒,尾翼軸,火箭尾噴管,傳動軸等,在其它領域應用包括:建筑桁架,機械設備承載件,工業(yè)管道,自行車車架,各類球拍桿等。三維編織復合材料圓管在以上應用過程中不可避免受到?jīng)_擊載荷作用。本文旨在研究三維編織復合材料圓管橫向沖擊響應,探討編織結構參數(shù)對橫向沖擊性能影響。通過全尺寸細觀結構模型有限元分析方法預測試樣橫向沖擊力學性能、破壞過程、應力分布及傳播,發(fā)現(xiàn)三維編織結構復合材料橫向沖擊變形和損傷的細觀結構機理。論文主要內(nèi)容:(1)實驗方法研究三維編織復合材料圓管橫向沖擊性能,獲得載荷-位移曲線,位移-時間曲線,能量吸收和最終破壞形態(tài)。探討編織結構參數(shù)對三維編織復合材料圓管橫向沖擊力學響應的影響。編織參數(shù)包括編織角(15o、30o和45o),編織層數(shù)(2層、3層和4層)和軸紗(4向和5向)。(2)通過細觀結構有限元分析方法探討三維編織復合材料圓管橫向沖擊加載變形及破壞細觀結構機理。分別探討沖擊氣壓、編織角、編織層數(shù)和軸紗對材料沖擊損傷機理的影響,包括沖擊變形歷程,應力分布及傳播和最終損傷模式。(3)對比分析實驗結果和有限元模擬結果,驗證細觀結構有限元分析模型的有效性。包括載荷-位移曲線和損傷形態(tài)的對比。研究發(fā)現(xiàn):(1)實驗結果:沖擊氣壓和編織參數(shù)對三維編織復合材料圓管橫向沖擊力學響應影響顯著。隨著沖擊氣壓增大,各編織結構試樣載荷峰值、位移和能量吸收均增加。隨著編織角增大、編織層數(shù)增加或軸紗加入,沖擊載荷峰值均增大,位移減少。編織角越小、編織層數(shù)越多或加入軸紗,試樣比吸收能越大。三維編織復合材料圓管橫向沖擊后主要破壞模式包括:基體碎裂、界面開裂、纖維束斷裂及纖維束內(nèi)部劈裂。小沖擊氣壓下,以纖維束間基體碎裂和界面開裂為主,隨著沖擊氣壓增大,纖維束開始斷裂。不同編織參數(shù)對材料內(nèi)部損傷機制影響較大。(2)有限元分析結果:應力主要集中在沖擊區(qū)和握持區(qū),三維編織結構增強體為主要承載組份。變形包括:圓管整體彎曲變形、截面扁化和沖擊區(qū)局部凹陷。紗線在圓管中的空間狀態(tài)是影響應力傳播的重要因素。沿著圓管軸向,應力在小編織角紗線和軸紗中衰減較慢。隨著編織角增大、編織層數(shù)增多或加入軸紗,三維編織復合材料圓管的整體性增強,從而提高材料抗沖擊變形和損傷能力。(3)模型有效性驗證:有限元分析獲得的載荷-位移曲線和損傷形態(tài)與實驗結果吻合良好,從而驗證該全尺寸細觀結構有限元模型有效性。其中有限元模擬載荷略高于實驗結果,而模擬位移略低于實驗結果,這是由于有限元模型中未考慮實際材料結構中存在的各類缺陷,如裂紋、孔洞和界面。上述研究主要針對三維編織復合材料圓管橫向沖擊響應,通過細觀結構有限元數(shù)值分析法探討材料受橫向沖擊加載變形和破壞的細觀結構機理。該研究結果對三維編織復合材料圓管的結構設計具有指導價值,并可進一步將此研究方法應用于其它紡織復合材料結構設計的研究中。
[Abstract]:The three-dimensional braided composite material has the advantages of strengthening the integrity of the structure and overcoming the shortcomings of the traditional laminated composite materials. The three-dimensional braided composite circular tube has high shear strength and impact damage tolerance. The potential applications in the aerospace field include the fuselage cylinder, tail shaft, rocket tail nozzle, drive shaft and so on. The use includes: building truss, mechanical equipment loader, industrial pipe, bicycle frame, and all kinds of racket bars. The three-dimensional braided circular pipe is inevitably affected by the impact load during the above application. This paper aims to study the lateral impact response of the three-dimensional braided composite circular pipe, and discuss the influence of the weaving structure parameters to the lateral impact performance. The mechanical properties of transverse impact, failure process, stress distribution and propagation are predicted by the finite element analysis of the full size microstructural model. The main contents of the paper are as follows: (1) the experimental method is used to study the transverse impact of the three-dimensional braided circular tube. Performance, the load displacement curve, displacement time curve, energy absorption and final failure form are obtained. The influence of braiding structure parameters on the transverse impact mechanical response of three-dimensional braided composite circular tube is discussed. The knitting parameters include the braiding angle (15O, 30o and 45o), the number of braiding layers (2 layers, 3 layers and 4 layers) and the axis yarn (4 and 5 directions). (2) through the meso structure The influence of impact pressure, braiding angle, weave layer number and shaft yarn on the damage mechanism of material impact, including impact deformation process, stress distribution and propagation and final damage mode, are discussed respectively. The experimental results are compared and analyzed. (3) experimental results are compared and analyzed. The finite element simulation results are used to verify the effectiveness of the meso structural finite element analysis model, including the load displacement curve and the comparison of damage forms. The results are as follows: (1) the experimental results: the impact pressure and the braiding parameters have significant influence on the lateral impact mechanical response of the three-dimensional braided circular tube. With the increase of the impact pressure, the specimens of each woven structure are loaded. The peak load, displacement and energy absorption increased. With the increase of the knitting angle, the number of braiding layers increased or the axial yarn added, the peak value of the impact load increased and the displacement decreased. The smaller the weaving angle, the more the number of weave layers or the axis yarn, the larger the specimen's absorption energy. The main failure modes after the transverse impact of the three-dimensional braided composite pipe include the matrix fragmentation and the boundary. Fracture of surface, fracture of fiber bundle and internal splitting of fiber bundle. Under the small impact pressure, the matrix fragmentation and interface cracking are mainly in the fiber bundles. With the increase of the impact pressure, the fiber bundles begin to break. The different weaving parameters have great influence on the internal damage mechanism of the material. (2) the finite element analysis results are mainly concentrated in the impact zone and the holding area. The fabric reinforced body is the main bearing component. The deformation includes the whole bending deformation of the circular tube, the cross section and the partial sag in the impact zone. The space state of the yarn in the circular pipe is an important factor affecting the stress propagation. The stress is slow down in the small braided yarn and the axis yarn along the circular tube. With the increase of the knitting angle, the number of weave layers increases. Or adding shaft yarn, the integrity of the three-dimensional braided circular tube is enhanced, thus improving the impact deformation and damage ability of the material. (3) validation of the model validity: the load displacement curve and the damage form obtained by finite element analysis are in good agreement with the experimental results, thus verifying the validity of the finite element model of the full size meso structure. The simulation load is higher than the experimental results, and the simulated displacement is slightly lower than the experimental results. This is due to the various defects in the finite element model, such as cracks, holes and interfaces. The above study is mainly aimed at the transverse punching response of the three-dimensional braided composite circular pipe through the meso structure finite element numerical analysis method. The mesoscopic structure mechanism of material subjected to transverse impact loading deformation and failure is discussed. The results are of guiding value to the structure design of three-dimensional braided circular pipe, and can be further applied to the study of other textile composite structure design.

【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB33

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本文編號：1844453