三枚衬经斜纹2.5D编织复合材料的疲劳行为与寿命模型研究

作     者：赵弘超 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔海涛

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：三枚衬经斜纹2.5D编织复合材料 温度环境 剩余刚度 寿命预测 损伤扩展机理 

摘      要：碳纤维树脂基复合材料具备高强轻质、耐高温、耐疲劳等的性能,在航空航天、医疗器械、船舶运输等行业发挥着巨大作用。三枚衬经斜纹2.5D编织复合材料作为一种采用新型编织工艺的碳纤维树脂基复合材料被广泛的应用在航空发动机冷端部件上,其内部结构复杂、密度分布不均匀,对温度的敏感性导致在高温下该材料的力学性能、损伤扩展及失效模式较常温更复杂,而学界对该材料疲劳性能的研究并不充分。基于此,本文以该材料为研究对象,研究其在温度环境下的疲劳力学性能和寿命,主要研究工作如下:(1)基于复合材料组分理论和桥联理论,采用考虑温度和纤维束纤维体积含量影响的树脂基复合材料纤维束刚度矩阵和基体刚度矩阵,获得纤维束与基体接触界面的力学特征,求得两者之间的关系;将改进三维Hashin失效准则和Mises失效准则作为材料组分受疲劳载荷时的失效准则,并给出各组分材料的退化方案;基于纤维束与单向板力学性能等效理论,结合相关试验数据,获得复合材料纤维束的剩余刚度、剩余强度和疲劳寿命预测公式。(2)对三枚衬经斜纹2.5D编织复合材料试件进行工业CT扫描,获得内部各纱线的几何尺寸,推导其几何关系的公式,建立了考虑实际情况的单胞细观几何模型。引入周期性边界条件,基于所建模型,对温度环境下单胞经、纬向模量进行预测,获得各组分的应力云图,验证了模型的准确性。(3)采用前文推导出的各力学性能模型,结合单胞模型,基于有限元法对该复合材料拉-拉疲劳过程进行仿真分析,获取各温度下材料组分的损伤变化以及同种工况下各组分的损伤演变规律和寿命预测结果。(4)在常温(23℃)、150℃和223℃温度环境下,探究该材料在不同应力水平下的经向和纬向拉-拉疲劳性能,获取拉-拉疲劳寿命和刚度变化数据并对此作出分析,提出相关工况下试件疲劳寿命公式,并将试验结果与预测值对比分析,结果显示预测寿命的对数值与试验寿命对数值之比接近于1,验证了预测模型的准确性。(5)采用红外热像仪监测试件疲劳拉伸试验过程中的温度场变化,分析断口潜在出现的位置,总结温升规律;采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察断口形貌,分析裂纹扩展规律、损伤扩展机理和破坏模式。