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作者：袁志鹏扬州大学

学位级别：硕士

平均场均匀化作为一种高效、高精度的多尺度复合材料建模方法,因缺乏相关的非线性理论,在单向复合材料的非线性力学行为研究中还没有得到充分的应用。经微观有限元模拟得到,在纵向、横向和剪切载荷作用下,单向复合材料的基体表现出不同... 详细信息

平均场均匀化作为一种高效、高精度的多尺度复合材料建模方法,因缺乏相关的非线性理论,在单向复合材料的非线性力学行为研究中还没有得到充分的应用。经微观有限元模拟得到,在纵向、横向和剪切载荷作用下,单向复合材料的基体表现出不同的平均塑性行为,定义为平均非对称基体塑性。以此研究为基础,本文建立考虑此平均非对称基体塑性、纤维-基体界面损伤和复合材料渐进破坏的单向复合材料非线性平均场脱粘模型,用以描述单向碳纤维复合材料的非线性力学行为。以C30/E201碳纤维复合材料(纤维体积含量57%)作为代表示例,对带孔碳纤维复合材料层合板进行拉伸仿真并与实验结果对比,验证模型的有效性。此外,本文利用此模型对另外一项典型的AS4/8552单向复合材料(纤维体积含量60%)在轴向压缩载荷下的非线性失效行为“纤维扭结”进行仿真研究,并再次验证模型的有效性。本文具体研究内容如下:首先,将非线性平均场模型与纤维-基体界面脱粘失效模型结合,创建非线性平均场脱粘失效模型,此模型能够在保证精度的情况下更高效地描述纤维类复合材料的非线性及损伤特性。此外,提出一种验证非线性平均场脱粘模型并生成基体平均塑性行为的微观力学有限元模型。建立以上模型,为下文的研究提供理论支持。其次,利用两组基础力学试验与微观仿真相结合的方式确定材料模型的相关参数,其中一组试验是C30碳纤维和E201树脂基体的准静态拉伸试验,获得纤维和基体的力学性能;另一组试验是不同纤维角度(0°,±45°和90°)的C30/E201单向复合材料层合板的准静态拉伸试验,获得其材料性能。经力学试验和微观力学有限元模拟对比,分别从宏观层面和微观层面来验证所建非线性平均场模型的准确性。研究结果表明,NMFDM不仅可以准确、有效地预测复合材料的应力-应变响应,而且可以准确、有效地预测复合材料的两种成分(纤维和基体)的应力-应变响应。最后将此模型用于穿孔碳纤维复合材料层合板的准静态拉伸模拟,结果表明,所建模型可以有效、高精度地预测单向复合材料在准静态拉伸载荷下的变形、脱粘和渐进破坏。再次,介绍纤维初始扭转的扭结模型,确定材料参数并进行模型验证,利用非线性平均场脱粘模型研究具有纤维初始扭转角的AS4/8552单向复合材料在轴向载荷压缩下纤维扭结特性,并与文献中的其它模型和试验显微图作对比。研究结果表明,纤维扭转是在纤维具有一定初始扭转角的情况下受到轴向压缩载荷的作用使得树脂基体产生剪切变形,与此同时,纤维发生微小扭转,当剪切变形积累到一定程度,使得树脂基体产生塑性失效,不能够承受轴向载荷而产生失稳,从而导致较大范围的纤维扭转,生成扭结带,此外,所建立的非线性平均场脱粘模型可以提供可靠的扭结带形成的演化过程。最后,利用非线性平均场模型研究单向复合材料纤维扭结的影响因素,包括不同纤维初始扭转角、纤维根数以及纤维初始扭转角占整宽度的比重,对纤维扭结特性进行了深入的研究。研究结果表明,随着纤维初始扭转角的增大、纤维根数的减少和纤维初始扭转角占整宽度的比重的增大,其线性响应阶段越短,非线性响应阶段越长,不稳定响应阶段越短,残余响应阶段平均应力值也越小,且抗压强度越低,复合材料系统越不稳定。

关键词：非线性平均场脱粘模型平均非对称基体塑性纤维-基体界面脱粘纤维扭结纤维初始扭转

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单向复合材料纤维扭结的平均场仿真

引用

复合材料学报 2023年第9期40卷 5386-5396页

作者：程春袁志鹏张琦宋春雷扬州大学机械工程学院扬州225009

纤维扭结是单向碳纤维复合材料(UD-CFRP)在受轴向载荷压缩下,由于纤维初始扭转而引起的一种破坏机制。对于此问题,以往的文献中提出了宏观模拟、微观模拟及解析法,但都存在一定的局限性。宏观模拟精度低,微观模拟计算量大,解析法无法进... 详细信息

纤维扭结是单向碳纤维复合材料(UD-CFRP)在受轴向载荷压缩下,由于纤维初始扭转而引起的一种破坏机制。对于此问题,以往的文献中提出了宏观模拟、微观模拟及解析法,但都存在一定的局限性。宏观模拟精度低,微观模拟计算量大,解析法无法进行有效几何分析。在以前的文献中作者开发了一种非线性平均场脱粘模型来研究单向复合材料的非线性力学行为,该模型不仅考虑了平均非对称基体塑性,还考虑了纤维-基体界面的脱粘失效等非线性特性。本文将首次在多尺度层面上进行单向复合材料的纤维扭结仿真。利用扭结模型来定义纤维初始扭转角并结合非线性平均场脱粘模型来研究纤维具有初始扭转角的扭结过程及纤维不同初始扭转角对应力应变响应的影响。结果表明,与其他数值模型及解析模型相比,非线性平均场脱粘模型能够从多尺度的层面达到同等精度但能更高效地预测扭结带的形成过程。

关键词：纤维扭结纤维初始扭转非线性平均场脱粘模型平均非对称基体塑性纤维-基体界面脱粘

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