考虑应变率效应的玄武岩纤维复合材料低速冲击性能分析

作     者：黄显晴 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔岸

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：平纹编织 玄武岩纤维 应变率效应 低速冲击 细观损伤 

摘      要：玄武岩纤维增强复合材料是一种很有前途的新型复合材料,具有高强度、高模量、断裂韧性高、耐腐蚀性和阻燃性等特点,在航空航天和汽车应用中具有很大的潜力。编织纤维结构可以改善纤维复合材料层间和层内强度,提高纤维复合材料的抗分层能力。纤维复合材料在受到动态载荷时,会存在明显的应变率效应。由于复合材料之间性能存在差异,因此其对应变率敏感程度也各不相同。针对复合材料的低速冲击仿真,使用的参数大多是材料的准静态性能参数,没有考虑应变率效应对复合材料性能的影响,使仿真结果不准确,因此建立考虑应变率效应的本构模型,对提高低速冲击仿真结果的准确性十分重要。为了研究应变率效应对玄武岩纤维复合材料低速冲击性能的影响,制备玄武岩纤维增强复合材料层合板样件,进行准静态和动态拉伸及剪切试验,获得材料基本力学性能参数。分析应变率效应对玄武岩纤维复合材料低速冲击性能的影响。建立应变率相关的三维渐进损伤本构模型,分析了考虑应变率与不考虑应变率情况下,冲击能量、层合板厚度以及铺层角度对低速冲击性能的影响。为进一步分析低速冲击时层合板拉伸及压缩损伤演化过程,建立细观尺度下的单胞模型,进行考虑应变率效应的拉伸及压缩仿真,并分析其损伤演化过程。具体研究内容和研究成果如下:(1)制备玄武岩纤维复合材料样件,并进行准静态拉伸及剪切试验、动态拉伸及剪切试验和低速冲击试验,获得该材料在不同应变率下的性能参数和低速冲击载荷—时间曲线。当应变率从0.0003s增加到200s时,玄武岩纤维复合材料的拉伸强度从305MPa增加到563MPa,剪切强度从58MPa增加到140MPa,证明玄武岩纤维复合材料对应变率敏感,同时获得不同方向上的应变率修正系数,用于后续的仿真研究。(2)建立应变率相关宏观本构模型。考虑面内剪切失效和层间失效,建立改进的三维Hashin失效准则,该失效准则包含经向和纬向的纤维拉伸及纤维压缩失效、面内剪切失效和分层失效;采用基于断裂韧性的线性刚度退化方案,并通过应变率修正系数实现模量和强度的更新。将上述应变率相关本构模型编写成VUMAT子程序并嵌入Abaqus中进行调试。(3)考虑应变率效应的层合板低速冲击性能分析。建立考虑应变率效应的低速冲击仿真模型,与试验结果对比发现,应变率相关本构模型能够大大提高仿真的精度,验证了应变率相关的本构模型的有效性。对不同条件下的低速冲击进行仿真,分析应变率效应对玄武岩纤维复合材料低速冲击性能的影响。研究发现,随着冲击能量和层合板厚度增大,玄武岩纤维复合材料的应变率敏感性升高;随着纤维铺层角度减小,玄武岩纤维复合材料低速冲击的应变率敏感性降低。层合板的冲击损伤主要为冲击面的纤维压缩损伤,背面的纤维拉伸损伤,分层损伤主要分布于层合板的内部。面内剪切损伤会随主应力方向的变化呈±45°分布,且会随着纤维铺层角度的变化而变化。(4)考虑应变率效应的细观损伤分析。建立细观尺度的单胞模型,对单胞模型进行不同应变率下的拉伸及压缩仿真分析。通过仿真结果与试验结果对比验证了考虑应变率效应的单胞模型的有效性和准确性。在此基础上,分析了动态拉伸及压缩载荷下单胞的损伤情况。在动态拉伸载荷下,经纱和纬纱交织的位置会出现应力集中现象,导致此处基体开裂失效严重,且纤维束也在交织处发生拉伸断裂。在动态压缩载荷下,基体的压缩失效严重,但纤维束的损伤并不明显。