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作者：张骥哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

编织c/c复合材料综合了碳纤维和编织复合材料的优异力学性能，不仅具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐烧蚀等优良特性，还大大提高了沿厚度方向的力学性能，在结构上具有高度的整体性。因此，c/c复合材料广泛的应用在工业领域和生物医... 详细信息

编织c/c复合材料综合了碳纤维和编织复合材料的优异力学性能，不仅具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐烧蚀等优良特性，还大大提高了沿厚度方向的力学性能，在结构上具有高度的整体性。因此，c/c复合材料广泛的应用在工业领域和生物医学领域。由于在材料的制备和使用过程中会产生微裂纹，微孔洞等细观缺陷，在外载的作用下，这些缺陷进一步发展成为宏观裂纹，在损伤达到一定容限后破坏。因此研究三维编织复合材料在使用和服役过程中的断裂损伤和失效是十分必要和迫切的，从而为三维编织复合材料的工程应用提供理论基础。本文以三维编织c/c复合材料为研究对象，综合利用断裂实验和数值分析的方法从宏观的角度对材料的断裂破坏过程进行理论分析和数值模拟研究。主要开展了研究工作如下：首先，对三维编织c/c复合材料的断裂行为进行实验研究，通过弯曲强度实验考察了切口深度对材料的影响。利用两种不同的计算c/c复合材料的断裂韧性公式得到的断裂韧性值相差较大，说明使用K Ic来表征三维编织c/c复合材料的断裂特性具有一定的局限性。为了更加直观的研究三维编织c/c复合材料断裂破坏的损伤失效过程，采用了柔度标定的方法结合三点弯曲循环加载实验获得材料的裂纹扩展阻力曲线(R曲线)。该曲线反映了材料的损伤演化过程。其次，针对三维编织c/c复合材料结构的复杂性以及材料非线性，若考虑单胞结构则十分困难，而且在断裂失效的过程中裂纹的扩展路径是不规则的。采用离散内聚力模型能够很好的解决材料的非线性问题。在数值分析的过程中把编织复合材料等效为弹性正交均匀材料，然后通过断裂试验得到应变能释放率与裂纹扩展长度之间的函数关系并把这一关系嵌入到UEL子程序中，通过和ABAQUS Document中的算例结果相比较验证了用户自定义单元子程序的正确性。然后利用ABAQUS结合已开发的子程序对三点弯曲实验进行数值模拟，为实现三维编织c/c复合材料断裂过程的破坏分析提供了计算依据。

关键词：三维编织c/c复合材料断裂行为离散内聚力模型 UEL

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考虑孔隙缺陷三维编织c/c复合材料渐进损伤及强度预测

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固体火箭技术 2020年第4期43卷 447-457页

作者：魏坤龙史宏斌李江唐敏西北工业大学航天学院西安710072 西安航天动力技术研究所燃烧、热结构与内流场重点实验室西安710025

为研究三维编织c/c复合材料单轴拉伸渐进损伤与失效强度,考虑了材料内部纤维增强相、基体相和界面随机孔隙缺陷,建立了三维编织c/c复合材料单胞有限元模型。基于Linde等人提出的破坏准则描述纤维束纵向拉伸剪切破坏和横向破坏,基体采用... 详细信息

为研究三维编织c/c复合材料单轴拉伸渐进损伤与失效强度,考虑了材料内部纤维增强相、基体相和界面随机孔隙缺陷,建立了三维编织c/c复合材料单胞有限元模型。基于Linde等人提出的破坏准则描述纤维束纵向拉伸剪切破坏和横向破坏,基体采用最大主应变破坏准则,界面采用双线性内聚力本构模型和二次应力破坏准则,建立了与单元特征尺度、局部应变以及断裂能相关的指数型损伤演化律。采用有限元法结合周期性边界条件模拟了材料细观损伤起始、演化与失效过程,并预测了材料轴向拉伸强度。结果表明;材料轴向拉伸强度主要由纤维棒纵向拉伸强度控制,与不考虑材料孔隙缺陷的模拟结果相比,考虑材料孔隙缺陷的强度预测值与实验值更加接近,此外,孔隙缺陷对材料拉伸强度的影响大于对拉伸模量的影响。

关键词：三维编织c/c复合材料渐进损伤强度预测孔隙缺陷有限元法

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基于多尺度方法的三维编织c/c复合材料弯曲失效特性分析

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应用力学学报 2022年第4期39卷 642-649页

作者：赵雪尧魏坤龙史宏斌任全彬王健儒白彦军郭运强西安航天动力技术研究所燃烧、热结构与内流场重点实验室西安710025

为了预测三维编织c/c复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织c/c复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观... 详细信息

为了预测三维编织c/c复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织c/c复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织c/c复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织c/c复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。

关键词：三维编织c/c复合材料多尺度方法弯曲渐进损伤有限元法

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孔隙缺陷对三维编织c/c复合材料等效弹性性能的影响

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材料科学与工程学报 2021年第2期39卷 186-192页

作者：魏坤龙史宏斌李江唐敏西北工业大学航天学院陕西西安710072 西安航天动力技术研究所燃烧、热结构与内流场重点实验室陕西西安710025 航天动力技术研究院陕西西安710025

弹性常数是工程材料结构设计的重要参数。为了研究孔隙缺陷对三维编织c/c复合材料弹性性能的影响,考虑了纤维增强相、基体相和界面相的孔隙缺陷,建立了孔隙缺陷随机分布的纤维丝尺度和纤维束尺度的双尺度单胞模型,采用均匀化方法预报了... 详细信息

弹性常数是工程材料结构设计的重要参数。为了研究孔隙缺陷对三维编织c/c复合材料弹性性能的影响,考虑了纤维增强相、基体相和界面相的孔隙缺陷,建立了孔隙缺陷随机分布的纤维丝尺度和纤维束尺度的双尺度单胞模型,采用均匀化方法预报了含孔隙缺陷的三维编织c/c复合材料等效弹性常数,预报结果与实验结果吻合良好。在此基础上研究了孔隙率的影响,结果表明:(1)孔隙率对材料弹性常数有着显著影响,当孔隙率为10%时,材料轴向和径向拉伸模量分别减小11.17%和12.30%,面内和面外剪切模量分别减小11.28%和29.74%,面外泊松比减小29.32%,而面内泊松比增大0.26%;(2)基体相孔隙率对材料弹性常数的影响总体上呈线性,纤维增强相、界面相孔隙率的影响呈非线性,且组分相孔隙率的影响大小为:纤维增强相>基体相>界面相。本研究结果可为此类材料结构精细化设计和工艺优化提供参考。

关键词：三维编织c/c复合材料等效弹性常数孔隙率均匀化法双尺度界面

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