含减纱碳/环氧2.5D机织复合材料低速冲击性能及损伤机制

作     者：窦宏通 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张典堂;朱华君

授予年度：2022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：2.5D机织复合材料 减纱 低速冲击性能 数值模拟 冲击后压缩 

摘      要：2.5D机织复合材料因其优异的力学性能、灵活的结构设计性和整体近净成形能力,被广泛应用于航天发动机喷管、航天天线罩和航空发动机燃烧室火焰筒等锥形回转体部件。其中,加减纱工艺是实现锥形回转体预制体成形的核心技术,但加减纱的引入会造成局部结构变异甚至缺陷。重要的是,这些部件在制备和服役过程中,难免会遭受低速冲击载荷,而加减纱区域所引起的损伤起始和演化尚未明确,严重影响构件后续服役的可靠性。本文以2.5D机织复合材料锥形回转体实际应用为牵引,设计和制备了不含减纱、含半列减纱和含整列减纱的2.5D机织复合材料,采用试验和数值计算相结合的方法,重点开展了低速冲击力学性能、渐进损伤和损伤机理研究,以期为锥形回转体的结构设计和应用提供数据支撑。本文的主要研究内容及结论包括:(1)设置冲击能量为54J和72J,利用落锤冲击仪对不含减纱、含半列减纱和含整列减纱的2.5D机织复合材料进行了低速冲击试验,获取了载荷-时间曲线、载荷-位移曲线、能量-时间曲线以及关键力学特征值。分别利用光学显微镜和X射线计算机断层扫描(Micro-CT)技术对冲击后试样的表面及内部损伤进行了分析,阐明了三种试样的冲击损伤机制。研究表明,减纱会小幅降低2.5D机织复合材料的低速冲击性能,含半列减纱试样的力学性能保留率比含整列减纱试样高3%。在相同的冲击能量下,含整列减纱试样的损伤程度最严重。此外,不含减纱试样的破坏形式以纱线与基体的脱粘为主,含半列减纱试样破坏形式是以剩余的半列接结经纱断裂为主,而含整列减纱试样的破坏形式则是以大面积的分层和剪切破坏为主。(2)基于低速冲击“局部破坏特征和Micro-CT图像扫描结果,采用理想化建模的方法建立了不含减纱和含减纱的2.5D机织复合材料宏-细观混合有限元模型。使用ABAQUS有限元软件,选用三维Hashin准则、Von-Mises准则以及最大应力准则,并采用刚度折减的损伤演化方法,开展了2.5D机织复合材料的低速冲击数值计算,进一步理清了低速冲击渐进损伤过程。结果表明,所建立的宏-细观混合有限元模型可以准确地模拟出2.5D机织复合材料的低速冲击力学响应曲线、宏观损伤形貌和细观损伤分布区域。并且,在低速冲击过程中,纱线减少区域的基体会承受更高的应力水平。(3)结合数字图像相关(DIC)技术,利用万能试验机对不含减纱、含半列减纱和含整列减纱三种试样进行了冲击后压缩试验,获取了载荷-位移曲线、剩余强度、全场应变渐进分布及损伤模式。研究表明,减纱会小幅降低试样的压缩强度,由于低速冲击产生的损伤体积差异,在54J和72J冲击能量下含半列减纱试样的剩余强度分别比含整列减纱试样高11.8%和4%。此外,未冲击试样的压缩损伤随机分布,而冲击后试样的压缩损伤则集中在冲击中心两侧。不含减纱、含半列减纱以及含整列减纱试样的渐进损伤过程类似,都表现为率先在冲击损伤区域产生大的应力集中并逐渐呈线性往试样边缘区域延伸。