C纤维增韧复合板材高速冲击损伤离散元模拟及实验研究

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C/C复合材料具有高硬度、高比强度、耐腐蚀、耐摩擦磨损、耐高温等优异性能,并且质轻(1.7g/cm3左右)、稳定性好、可设计性强,在国防事业和人民生活中都得到了广泛应用。C纤维增韧复合材料在制造、使用和维护过程中常常会遇到各种各样的碰撞,对其冲击损伤方面的研究成为了目前研究的热点。冲击按速度可以分为低速冲击和高速冲击,目前国内外学者研究最多的是低速冲击损伤,而对高速冲击,研究较少。由于冲击速度快,冲击时间非常短,冲击损伤的过程在实验中很难被观察到,需要借助计算机模拟来研究高速冲击损伤,然而目前还没有一种研究方法能够很好地模拟高速冲击过程中裂纹的生产及其扩展情况。本文将离散元法(DEM)应用到纤维增韧多层C/C复合材料高速冲击损伤研究中。首先采用键连接模型(Bonded-Particle Model,BPM)的平行键模型建立与C/C复合材料板材尺寸和结构相一致的块体颗粒集合,通过使用不同的颜色来区分纤维和基体,不同颜色且相接触的颗粒间加入模型来表征界面特性(纤维/基体间和层间界面)。很多学者都把界面元本构简化为双线性本构模型, PFC2D里的位移软化接触模型正好和界面的双线性本构模型很相似,所以在界面处引用此模型,并通过双悬臂梁试验(DCB)对其界面进行强度校核。通过力学测试实验(单轴压缩和单边切口梁实验)和其DEM模拟结果的对比,得到与多层C/C复合材料宏观力学性能相匹配的DEM静态力学模型。通过摆锤冲击实验和其DEM模拟结果的对比,验证了此模型在动态的冲击载荷下依然有效。并运用该模型进行高速冲击模拟研究,对多层C/C复合材料损伤情况进行预测,分析研究在不同情况下(不同的冲击速度、冲头形状和材料层数)的损伤情况,来揭示C/C在高速冲击下的损伤机理及规律:(1)在同样的冲头和C/C层数下,冲击速度越高(高速),冲击C/C复合材料所消耗的冲击能越大,但冲击损伤有减少的趋势;(2)在相同的冲击速度(高速)和C/C层数下,冲头越尖锐,冲击C/C复合材料所消耗的冲击能越小,但随着冲击速度增大,所消耗的冲击功差距有拉大的趋势,且表面损伤有减少的趋势;(3)在同样的冲头和冲击速度(高速)下,C/C复合材料层数越多,冲击穿透它所需要的冲击功也越大。随后对C/SiC陶瓷基复合材料的界面做了一些探索,对DCB和微滴脱黏试验的收敛性做了较为细致的研究。最后对DEM在复合材料中的应用做了总结和展望,并对本文中的误差和不足做了分析。
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