【摘 要】
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编织复合材料由于纤维的交错编织结构极大地提高了复合材料的面内力学性能,然而面外的力学性能还是相对较低,在受到面外载荷时仍然会在复合材料内部发生分层损伤现象,造成结构强度的下降,严重影响结构的整体性能。因此需要采取一定的措施对受损的结构进行修复以恢复其力学性能。传统的复合材料修复方法(如贴补法、挖补法、螺栓连接等)虽然能对受损的结构起到一定的修复作用,但是这些修复方法本身也存在一定的不足。本文提出了
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编织复合材料由于纤维的交错编织结构极大地提高了复合材料的面内力学性能,然而面外的力学性能还是相对较低,在受到面外载荷时仍然会在复合材料内部发生分层损伤现象,造成结构强度的下降,严重影响结构的整体性能。因此需要采取一定的措施对受损的结构进行修复以恢复其力学性能。传统的复合材料修复方法(如贴补法、挖补法、螺栓连接等)虽然能对受损的结构起到一定的修复作用,但是这些修复方法本身也存在一定的不足。本文提出了用热塑性EMAA细丝对编织材料板进行缝合来达到增韧的作用,通过加热可以实现受损结构的自修复,并对EMAA缝合结构的增韧和抗冲击性能进行了研究。首先,针对平纹编织复合材料的结构特点,提出了采用多尺度均匀化的方法对编织材料结构进行了有限元建模的策略。根据均匀化分析的基本理论,在微观尺度建立了微观单胞模型预测了纤维束的材料性能,接着在细观尺度建立了编织材料细观单胞模型,并对细观单胞模型进行了均匀化处理,使其可以等效为交叉的层合结构,方便进行仿真分析。其次,制备了不同EMAA缝合间距的编织材料悬臂梁试件,并对双悬臂梁试件进行了拉伸测试,发现在悬臂梁试件中缝合EMAA可以提高结构的层间断裂韧性。在拉伸测试之后对试件进行了加热处理,结构的部分力学性能得到了恢复。采用均匀化方法建立了编织材料悬臂梁有限元模型,结合有限元仿真分析和电镜观测结果,对EMAA缝合结构的自修复机理进行了细致的研究。EMAA作为一种热塑性的聚乙烯塑料,通过缝合在层间建立了桥接区域,提高了结构的断裂韧性。在加热之后EMAA融化,融化的EMAA会沿着分层裂纹流入结构内部来实现对受损结构进行愈合的效果。最后,为了研究EMAA缝合对编织复合材料结构抗冲击性能的影响,制备了EMAA缝合结构冲击试件,搭建了EMAA缝合编织材料冲击试验平台,并且建立了EMAA缝合结构低速冲击有限元模型和编写了VUMAT子程序,采用有限元和实验相结合的方法对缝合结构的抗冲击性能进行了研究。通过仿真计算验证了仿真模型的正确性,讨论了不同的缝合参数对冲击性能的影响。结果表明:冲击能量越大,缝合结构的损伤越严重,缝合结构的基体损伤在试件背面呈十字形分布;缝线间距越小,抗冲击性能越好;缝线直径的增大可以提高结构的层间韧性和抗冲击性能。
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