三維編織復合材料沖擊響應有限元分析及頻域分析.pdf

1、三維編織復合材料具有整體網(wǎng)狀結構，相比層合復合材料加強了厚度方向力學性能，顯著提高了層間剪切強度，在承受載荷特別是動態(tài)載荷時不會分層。三維編織復合材料在力學性能上體現(xiàn)為高強高模、高沖擊損傷容限，廣泛用于抗沖擊結構件設計中。
　　 本文旨在采用有限元方法模擬三維編織復合材料動態(tài)響應特征，減少三維編織復合材料制作和測試成本，縮短產(chǎn)品設計周期;同時采用頻域分析方法深入剖析時域內(nèi)沖擊應力波特征，有助于三維編織復合材料沖擊破壞失效分析，更

2、加有利于三維編織復合材料結構件設計。
　　 本論文研究工作主要分為三部分。(1)采用分離式霍普金森壓桿和Instron落錘沖擊儀分別測試不同速度下三維編織復合材料橫向沖擊和低速沖擊動態(tài)響應。通過對比三維編織復合材料在不同沖擊加載模式和不同沖擊速度下力學響應特征和破壞形態(tài)分析其損傷機制和失效機理。(2)根據(jù)三維編織復合材料細觀結構建立單胞模型，推導其本構方程。引入最大應力準則和臨界失效面積準則并編寫用戶自定義材料子程序VUMAT，

3、結合動態(tài)顯式求解器ABAQUS/Explicit計算三維編織復合材料橫向沖擊和低速沖擊載荷-位移曲線。(3)將三維編織復合材料沖擊載荷-時間曲線作為原始信號通過快速傅立葉變換和希爾伯特-黃變換方法得到?jīng)_擊應力波在頻域內(nèi)特征。
　　 研究主要結論:
　　 (1)三維編織復合材料在準靜態(tài)橫向加載模式下，載荷由零線性增加到最大值，然后緩慢下降。由于三維編織復合材料內(nèi)部結構有足夠時間達到應力平衡狀態(tài)，因而試件外觀損傷區(qū)域普遍較小

4、，正面主要表現(xiàn)為樹脂開裂而背面表現(xiàn)為纖維與樹脂脫粘。
　　 (2)在橫向沖擊加載下，由于應力波在輸入桿中多次反射，輸入桿會多次撞擊三維編織復合材料試樣，因而在載荷位移曲線上會出現(xiàn)多次載荷峰值，載荷隨沖擊次數(shù)增加而減小。三維編織復合材料橫向沖擊最大載荷和吸收能量隨沖擊速度增加而增加。在破壞形態(tài)方面，三維編織復合材料在較低沖擊速度下以樹脂開裂為主，在較高速度下以纖維束斷裂為主。(3)三維編織復合材料在低速沖擊下最大載荷、最大載荷處能

5、量以及吸收總能量均隨沖擊速度增加而增加。另外隨沖擊速度增加，失效模式也從彈性變形變?yōu)闃渲_裂、纖維束與樹脂脫粘直至最后纖維束斷裂。
　　 (4)三維編織復合材料有限元計算載荷-位移曲線與實驗結果吻合度較好，證明了單胞模型及用戶子程序VUMAT的正確性和有效性。該模型可以廣泛應用和推廣至三維編織及其他結構復合材料結構設計和性能預測中。
　　 (5)三維編織復合材料沖擊應力波經(jīng)快速傅立葉變換后得到其頻率和幅度特征。結果顯示沖