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三维角联锁机织复合材料低速冲击力学性能及有限元分析

作　者: 张强
导　师: 顾伯洪；孙宝忠
学　校: 东华大学
专　业: 纺织材料与纺织品设计
关键词: 三维角联锁机织复合材料低速冲击单胞模型有限元分析
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

三维结构织物因其厚度方向增强纤维的存在,具有比复合材料层合板更高的层间剪切强度、断裂韧性和冲击损伤容限。三维角联锁机织复合材料是其中性能优越的代表,其织物结构包括厚度角联锁结构与层层角联锁结构两种。抗冲击性能是复合材料力学性能研究中的重要分支,且对于复合材料三维结构设计、安全防护性能的研究有重要意义。本课题研究三维角联锁机织复合材料低速冲击作用下的破坏。采用落锤冲击试验仪测试复合材料在四个冲击能量下的力学性能,得到载荷-位移曲线等。根据三维角联锁机织复合材料的细观结构,建立单胞模型。采用FORTRAN语言,编写用户子程序VUMAT。运用商业有限元软件ABAQUS/Explicit联合VUMAT模拟计算复合材料的低速冲击性能和破坏模式,并与试验结果相对比,验证了单胞模型和VUMAT的有效性。本论文主要内容：(1)设计并织造三维角联锁玻纤机织物,利用真空辅助树脂转移成型(VARTM)技术制造三维角联锁织物/不饱和聚酯复合材料；(2)采用Instron DynatupTM 9250 HV型落锤冲击试验仪和一体式夹具测试三维角联锁机织复合材料低速冲击性能,得到载荷-位移曲线、位移-时间曲线等；(3)基于材料弹塑性本构关系、最大应力准则和临界失效面积准则(CDA)编写用户子程序VUMAT,联合ABAQUS/Explicit计算复合材料低速冲击性能和破坏模式。对比模拟结果和试验结果,发现在载荷-位移变化规律和复合材料破坏形态上比较吻合。本课题为三维角联锁机织复合材料抗冲击性能的研究提供了试验方案和理论预测方法,对复合材料的三维结构设计和开发利用有一定帮助。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章综述  10-18
  1.1 引言  10
  1.2 三维角联锁机织复合材料研究现状  10-12
  1.3 有限元分析在纺织结构复合材料中的应用  12-14
  1.4 复合材料冲击研究现状  14-16
  1.5 本课题研究内容  16-18
第二章三维角联锁机织复合材料制备  18-24
  2.1 三维角联锁机织物设计与织造  18-20
    2.1.1 三维角联锁机织物组织结构设计  18
    2.1.2 三维角联锁机织物织造  18-20
  2.2 三维角联锁机织复合材料制备  20-22
    2.2.1 树脂体系  20-21
    2.2.2 VARTM成型技术  21-22
  2.3 三维角联锁机织复合材料试样加工  22
  2.4 三维角联锁机织复合材料各组分体积含量  22-24
第三章三维角联锁机织复合材料低速冲击试验  24-29
  3.1 试验装置  24-25
  3.2 试验简介  25-26
  3.3 实验结果  26-29
第四章建立单胞模型  29-43
  4.1 单胞模型  29-30
  4.2 各组分体积含量  30-31
    4.2.1 纤维体积分数计算  31
    4.2.2 纤维基体体积分数计算  31
  4.3 各组分刚度矩阵和柔度矩阵  31-40
    4.3.1 树脂基体刚度/柔度矩阵  31-32
    4.3.2 纱线刚度/柔度矩阵  32-33
    4.3.3 总体刚度矩阵计算  33-37
    4.3.4 三维角联锁机织复合材料弹塑性刚度/柔度矩阵  37-40
  4.4 材料失效分析  40-43
    4.4.1 单胞基体失效分析  40-41
    4.4.2 单胞纱线失效分析  41-43
第五章有限元计算  43-55
  5.1 ABAQUS有限元模拟的优越性  43-44
  5.2 用户子程序在ABAQUS中应用  44-47
  5.3 建立有限元模型  47-55
    5.3.1 几何模型  47-50
    5.3.2 材料参数  50-52
    5.3.3 装配件  52-55
第六章结论  55-57
  6.1. 主要结论  55-56
  6.2. 展望与不足  56-57
致谢  57-58
参考文献  58-60

三维角联锁机织复合材料低速冲击力学性能及有限元分析

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