三维编织复合材料是通过纤维束编织和基体成型制备得到的复合材料,能以―近净成型‖的方式实现材料结构一体化制造复杂外形结构件,减少装配连接数量。由于该类材料具有高比强度、高比刚度和高损伤容限等特点,在对结构件重量和冲击强度要求较高的高低温应用场合,三维编织复合材料有比金属材料明显的性能优势和重量优势,在高强度和轻量化零部件设计中有极大应用潜力。本文采用实验测试、计算机断层扫描技术和有限元分析方法,研究不同编织结构参数的三维碳纤维增强环氧树脂编织复合材料梁在不同温度和冲击速度下的横向冲击损伤性质,揭示多次冲击加载下的热力耦合损伤机理。主要研究内容是:(1)构建复合材料热力耦合冲击动力学框架,用于三维编织复合材料等纤维增强聚合物复合材料冲击损伤性能研究。定义组分材料的刚度矩阵、界面损伤粘结模型、热力耦合本构方程,引入材料延性破坏和剪切破坏准则,建立复合材料弹塑性损伤本构关系。(2)采用带有自主设计加热装置和高速摄影机的改进型分离式霍普金森压杆(SHPB)测试多个应力波周期内的横向冲击行为,记录冲击变形的发展过程。选用环境温度:室温(25℃)、90℃、150℃、210℃;编织结构:编织角20°、30°(有无轴纱)、40°;冲击气压:0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa。测试环氧树脂浇注体动态热机械性质、不同温度下傅里叶变换红外光谱和高应变率冲击压缩性质,揭示不同温度下环氧树脂力学性能改变对复合材料高速冲击力学响应的影响,发现温度、加载速度和编织结构对多次冲击损伤的影响规律。(3)建立全尺寸细观结构模型和单胞/细观结构混杂结构模型,用有限元方法分析横向冲击载荷下三维多向编织复合材料中应力分布和加载速率的结构效应以及温度效应,研究细观结构、加载速率、环境温度对三维多向编织复合材料在多次横向冲击加载过程中局部冲击损伤生成、扩展过程的影响,揭示热力耦合损伤和能量吸收破坏机理。(4)结合X射线计算机断层扫描技术和有限元分析结果,分析三维编织复合材料梁冲击加载后的内部损伤空间分布,探究损伤分布特征与复合材料细观结构和冲击加载条件的关系,比较不同温度和冲击速度下三维多向编织复合材料的失效行为和损伤模式,揭示温度、加载速率和细观结构特征对多次冲击损伤的影响规律。研究发现:(1)根据不同编织角的三维编织复合材料梁在不同冲击能量下多次横向冲击损伤行为得知,冲击载荷峰值随着冲击循环次数的增加而逐渐减小。编织角较大的试样具有较高的抗横向冲击断裂能力。冲击应力波沿编织纱线路径方向传播,正面冲击处和背面冲击处应力水平较高。编织角较小的复合材料具有较高的面内和横向冲击刚度,而编织角较大的复合材料具有较高的抗横向冲击断裂能力和冲击刚度。(2)比较不同编织角的三维编织复合材料梁在室温和高温下的横向冲击变形和损伤,发现失效载荷、初始模量和能量吸收随温度的升高而减小,而变形随温度的升高而略有增加。当环境温度低于环氧树脂的玻璃化转变温度(T_g)时,冲击脆性损伤发生较早,局部绝热温升跨度较大。高于T_g时,冲击韧性损伤发生较晚,局部绝热温升跨度较小。应力沿着编织纱分布导致裂纹沿纱线方向扩展。部分冲击能量吸收转化为热能。另外,编织角越大的复合材料梁具有较高的损伤容限和抗裂纹扩展能力。(3)用计算机断层扫描技术和有限元方法表征三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在多次冲击加载下的内部损伤分布与环境温度、细观结构间的关系,发现随着温度增加树脂由脆性失效变为韧性失效,界面粘结强度降低,失效模式变为纤维/树脂界面开裂和树脂脱黏。编织角增加,失效模式由界面开裂转变为树脂脱黏开裂和界面开裂同时发生,抗冲击容限提高,吸收能量增加导致局部温升提高。冲击次数增加,冲击损伤的积累导致增强体变形、界面开裂和树脂脱黏有明显的累加效应。(4)根据三维编织复合材料在多次横向冲击损伤过程中的热力耦合损伤响应,发现绝热温升和界面损伤主要发生在开裂处和冲击表面,并产生剧烈局部塑性变形。因此产生的热能使局部区域温度升高,进一步导致基体热膨胀,使基体和增强体相互挤压,产生内应力和局部变形等绝热剪切破坏。高应力集中和界面脱粘加速局部区域的损伤发展,由此产生的塑性变形能转化为热能更加提高局部温升,最终形成热应力耦合闭环。本文建立完整的复合材料热力耦合冲击加载破坏研究方法,可扩展到其他纤维增强聚合物复合材料冲击加载破坏性能研究,并可扩展至不同温度环境中纺织复合材料工程结构的抗冲击损伤设计。