柔性機織復合材料撕裂和頂破損傷機制的有限元分析.pdf

1、紡織結構柔性復合材料在柔性防彈/防刺防護材料、輕結構建筑、油料運輸管等領域有較大的應用潛力。相比于剛性紡織結構復合材料,柔性復合材料在服役過程中不可避免地涉及撕裂和頂破加載情況。研究柔性復合材料撕裂和頂破行為有十分重要的實際意義。本課題以機織物和柔性復合材料為研究對象,采用實驗研究和有限元分析兩種方法比較機織物和柔性復合材料的撕裂和頂破性能差異,從細觀結構層面揭示撕裂和頂破損傷機制。實驗研究主要得到機織柔性復合材料撕裂和頂破過程的載荷-

2、位移曲線以及破壞形態(tài)。其中,撕裂性能測試采用美國材料與試驗協(xié)會ASTM D885-07中推薦的梯形試驗方法;頂破性能測試采用圓形試樣。撕裂和頂破測試速度均為100mm/min。通過比較分析機織物和柔性復合材料撕裂和頂破性能之間的差異,考察破壞模式的細觀結構機制。有限元分析數(shù)值仿真基于柔性機織復合材料細觀結構,建立機織物和柔性復合材料細觀結構幾何模型,結合纖維束和基體力學性質參數(shù),計算撕裂和頂破動態(tài)過程,揭示破壞區(qū)域的應力分布和纖維束斷裂

3、、滑移,提出細觀結構參數(shù)對撕裂和頂破的影響。研究主要結論是:(1)織物撕裂:影響機織物梯形撕裂性能主要因素包括:經(jīng)、緯紗拉伸性質、摩擦系數(shù)、織物經(jīng)緯密和緊度參數(shù)。撕裂三角區(qū)受上述因素影響,導致三角區(qū)有不同形態(tài)、大小和應力分布,使織物在撕裂過程中紗線間滑移性質、撕裂斷口形態(tài)和撕裂強度存在顯著差異。(2)柔性復合材料撕裂:柔性復合材料撕裂強力與機織物撕裂強力差異不大,由于受集體對纖維束的固結作用,柔性復合材料的撕裂軌跡沿直線擴展,撕裂破壞區(qū)

4、域明顯小于機織物的損傷區(qū)域。織物涂層增加了紗線與紗線之間的連接點,限制了經(jīng)緯紗之間的滑動,減少了撕裂三角區(qū)的大小,但由于涂層本身也貢獻撕裂強力,使柔性復合材料撕裂強力與機織物撕裂強力無明顯差異。(3)織物頂破:影響機織物頂破性能主要因素有:織物的經(jīng)緯密度、紗線拉伸性能和紗線間摩擦系數(shù)等?？椢锏捻斊七^程可以分為以下三個階段:(Ⅰ)開始階段:刺錐開始接觸織物,與刺錐直接接觸的紗線開始伸直;(Ⅱ)中間階段:隨著刺錐的逐步深入,部分紗線斷裂,織

5、物撓度逐漸變大;(Ⅲ)與刺錐直接接觸的紗線脫離機織物表面,直至斷裂。紗線斷裂的不同時性導致頂破載荷-位移曲線上的波動。(4)柔性復合材料頂破:柔性復合材料頂破強力遠大于機織物頂破強力,頂破損傷面積也比機織物要小?？椢锿繉幼柚菇?jīng)緯紗之間的滑動,防止刺錐尖端與紗線的直接接觸,均勻集中應力。雖然涂層本身的承載能力遠遠小于增強機織物,但涂覆涂層顯著提高了柔性復合材料的頂破性能。實驗測試結果證實有限元數(shù)值仿真的準確性,基于該仿真模型可以在揭示撕裂