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三维正交机织复合材料三点弯曲疲劳行为实验研究与有限元计算

作　者: 牛智林
导　师: 孙宝忠
学　校: 东华大学
专　业: 纺织材料与纺织品设计
关键词: 三维正交机织复合材料弯曲疲劳有限元
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

三维正交机织复合材料是三维纺织结构复合材料重要种类,其预成型体经纱、纬纱和Z纱三个系统纱线两两垂直,在经、纬和厚度方向具有较高的刚度和强度。研究三维正交机织复合材料弯曲疲劳性能对三维正交复合材料应用有重要意义,尤其在车辆等工程结构件设计应用中疲劳性质尤为关键。实验研究中用MTS810,23万能材料实验机测试三维正交机织复合材料静态力学性能,在加载频率为3Hz正弦载荷,室温条件下用力控制方法测试三点弯曲疲劳性能。得出试验条件下三维正交机织复合材料,疲劳寿命曲线(S-N曲线)。材料在加载应力水平(测试循环载荷最大值σmax与材料静态弯曲疲劳强度σ比值)为35%时,弯曲疲劳寿命可达到106次而未破坏,即材料疲劳极限为35%。测试发现在低应力水平下疲劳寿命离散性大于高应力水平。实验记录材料挠度随加载次数变化趋势,计算疲劳加载过程中材料弯曲刚度变化,发现弯曲刚度降解曲线和弯曲挠度变化趋势均为典型三段式。第Ⅱ段刚度降解趋势比第Ⅰ段缓慢,第Ⅲ段刚度降解剧烈,材料开始破坏。分析材料各应力水平下疲劳破坏形态,发现随应力水平降低,试件受压面(与上压辊接触面)破坏面积减小,而受拉面(与支撑辊接触面)破坏面积增加。另外,应用Matlab软件处理试件横截面图像,得出复合材料试件内损伤分布曲线。基于三维正交机织复合材料单胞模型和三维正交机织复合材料疲劳损伤模型,用FORTRAN语言编写含有损伤单胞子程序(UMAT)结合有限元软件ABAQUS计算复合材料加载过程中挠度变化。比较实验和有限元计算结果,发现两者在计算复合材料加载过程中挠度变化有很好的一致性。本文研究为三维正交机织复合材料在长期应用中提供基本实验数据,所得实验结论和相应计算方法可以指导复合材料中长期使用。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章综述  9-20
  1.1 前言  9
  1.2 三维正交机织复合材料力学性能研究现状  9-11
  1.3 三维纺织结构复合材料疲劳研究  11-13
  1.4 复合材料疲劳损伤模型  13-16
  1.5 有限元在纺织结构复合材料中应用  16-18
  1.6 本课题研究内容  18-20
第二章三维正交机织复合材料制备  20-26
  2.1 三维正交机织物结构及织造  20-22
  2.2 三维正交机织复合材料生产  22-24
  2.3 三维正交机织复合材料各组分体积含量  24-26
第三章三维正交机织复合材料弯曲疲劳测试与行为  26-38
  3.1 材料准备  26
  3.2 静态试验  26-27
  3.3 弯曲疲劳行为  27-38
第四章三维正交机织复合材料刚度矩阵及疲劳损伤模型  38-49
  4.1 三维正交机织结构的分析及简化方法  38
  4.2 建立单胞模型中的基本假设  38
  4.3 三维正交机织复合材料各组分的刚度矩阵  38-42
  4.4 三维正交机织复合材料单胞的刚度矩阵  42-43
  4.5 疲劳损伤模型  43-49
第五章有限元模型及最大挠度计算  49-57
  5.1 ABAQUS及其用户子程序  49-50
  5.2 计算平台  50
  5.3 几何模型  50-51
  5.4 分析过程  51-52
  5.5 加载与约束条件  52
  5.6 有限元模型  52-53
  5.7 计算结果及讨论  53-57
第六章结论与展望  57-59
  6.1 主要结论  57
  6.2 展望和不足  57-59
致谢  59-60
参考文献  60-66
攻读硕士期间发表的学位论文  66

三维正交机织复合材料三点弯曲疲劳行为实验研究与有限元计算

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