《三維編織複合材料低速衝擊損傷機理及其剩餘強度研究》是依託哈爾濱理工大學，由嚴實擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：三維編織複合材料低速衝擊損傷機理及其剩餘強度研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：嚴實
- 依託單位：哈爾濱理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
基於航天飛行器對材料和結構性能的特殊要求，針對不同編織工藝參數（編織角度和纖維體積含量）的三維多向編織複合材料低速衝擊損傷機理及其剩餘強度進行研究：對三維編織複合材料試件進行低速衝擊實驗和衝擊後剩餘強度（拉伸和壓縮）實驗，同時用聲發射監測其破壞過程，分析其損傷類型和演化規律，為理論模型和數值模擬提供依據；基於低速衝擊後破壞的試驗結果和機制分析，以及軟化夾雜的思想與複合材料損傷力學中的剛度衰減方法，將衝擊損傷區域進行簡化，根據表面凹坑的深度對衝擊損傷區域進行剛度折減，然後採用點應力判據來確定試件的最終破壞；對非線性瞬態動力學的有限元模型進行開發和拓展，模擬編織複合材料在衝擊載荷作用下的動態回響和破壞過程，在此基礎上，運用顯示動力學方法分析試件剩餘強度的準靜態破壞。本項研究目的在於探索低速衝擊條件下三維編織複合材料本構模型、損傷機理及剩餘強度，控制材料的失效與破壞以提高其抗衝擊能力。
結題摘要
本項目主要研究了三維碳/環氧編織複合材料的低速衝擊和衝擊後壓縮性能（CAI）。對不同編織角度和編織結構的試件在不同的衝擊能量水平進行低速衝擊測試。CAI測試分析不同結構的衝擊後剩餘力學性能，同時採用聲發射技術實時監測其測試過程以便進一步分析其損傷機理。實驗數據表明，三維編織複合材料的低速衝擊力學性能及損傷模式與編織角度和編織結構相關。編織角度決定纖維束排列的緊密程度，編織角度越大纖維束排列的越緊密，其抗衝擊性能越強；編織結構決定纖維束的走向，垂直於衝擊方向的纖維束有較好的緩衝吸能作用，能限制衝擊損傷向非衝擊面的擴展。並以結構最複雜的三維六向編織複合材料為例，將有限元技術與細觀力學理論相結合，根據複合材料的細觀結構，建立起具有代表性的有限元單胞模型，系統地分析其剛度和強度隨編織參數的變化規律。在此基礎上，用Chang-Chang失效準則作為判據對材料的低速衝擊損傷過程進行模擬，數值結果與實驗結果吻合較好。CAI性能和損傷機理主要受編織纖維束的軸向支撐影響。編織角越小，編織紗沿壓縮方向承載能力越強，其CAI性能也就越高，在壓縮過程中，纖維受力比較均勻，達到極限載荷時纖維發生脆性斷裂，且斷裂面平齊。隨著編織角增加，編織紗沿壓縮方向承載能力減弱，其CAI性能也就越低，纖維不容易沿編織紋理方向發生破壞，纖維束界面基體開裂導致剪下破壞而使材料失效。編織結構的不同對編織複合材料的壓縮性能及破壞模型也有所影響：三維五向編織複合材料的軸向紗線直接承受壓縮載荷，因此其相應的CAI性能要高些；而三維六向編織複合材料雖然有軸向紗線承受載荷，但由於橫向紗線（和載荷方向垂直，不承受載荷）的存在，在相近纖維體積含量的情況下，降低了軸向紗線和編織紗線的含量，因此其CAI性能最低，且橫向紗不承受壓縮載荷，限制了纖維束沿纖維束邊界的剪下破壞，隨著載荷的增加，在衝擊損傷區域的纖維束界面基體開裂比較集中，纖維束失去基體的支撐，在壓縮載荷作用下極易發生屈曲，因此角度較大的三維六向編織複合材料呈現局部彎曲。通過聲發射信號的能量、峰值頻率和幅度等特徵參數，採用多參數歷程圖分析法，並結合載荷-位移曲線，把CAI損傷過程分為不同的損傷階段，討論了三維編織複合材料的CAI損傷演化規律，結合波形信號的頻譜特性揭示材料的損傷機理。
