【摘 要】
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复合材料具有高比强度、比刚度和良好的抗疲劳性等优点,在航空、航天等领域有重要应用价值。尤其随着航空航天领域的发展,对材料提出了更高的要求,三维机织复合材料应运而生。由于三维机织复合材料的细观结构复杂,具有宏观各向异性和细观非均匀性,这使得其力学性能和损伤演化机理的研究还有很多尚未解决的难题。目前针对三维机织复合材料的拉伸和压缩方面性能研究已经取得很多的成果,而针对三维机织复合材料的剪切特别是面外剪
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复合材料具有高比强度、比刚度和良好的抗疲劳性等优点,在航空、航天等领域有重要应用价值。尤其随着航空航天领域的发展,对材料提出了更高的要求,三维机织复合材料应运而生。由于三维机织复合材料的细观结构复杂,具有宏观各向异性和细观非均匀性,这使得其力学性能和损伤演化机理的研究还有很多尚未解决的难题。目前针对三维机织复合材料的拉伸和压缩方面性能研究已经取得很多的成果,而针对三维机织复合材料的剪切特别是面外剪切疲劳方面的研究鲜有报道,这对三维机织复合材料的疲劳寿命评估是一种缺失。为了解决这些问题,本文将深入研究其面外剪切疲劳的试验方法、损伤失效机理以及性能预报方法,下面介绍主要研究工作。通过调研三维机织复合材料相关的文献,总结和评述了国内外研究现状,详细介绍和分析了三维机织复合材料的面外剪切疲劳相关工作的国内外研究进展,对复合材料剪切疲劳试验方法及损伤机理、复合材料等寿命图及寿命预报、机织复合材料损伤判定准则和机织复合材料疲劳损伤演化仿真等方面展开综述。重点分析了三维机织复合材料剪切疲劳试验相关方面取得的成果和局限性,对现有复合材料损伤机理研究手段进行了回顾,对复合材料等寿命曲线图构造及寿命预报进行了总结和分析。同时,对机织复合材料的损伤判定准则和疲劳损伤演化仿真进行了回顾,总结了目前所取得的成果及其局限性,最终明确了本论文的研究目的意义以及主要研究内容。提出了一套针对三维机织复合材料面外剪切疲劳性能的试验方法,设计了三维机织复合材料面外剪切疲劳性能试验加载的专用夹具;开展了三维机织复合材料面外剪切静态和疲劳力学性能试验研究;结合三维数字图像相关(3D DIC,Three Dimensional Digital Image Correlation)技术搭建了三维机织复合材料性能测试分析系统,得到了三维机织复合材料的面外剪切刚度、强度和以及特定载荷条件下的疲劳寿命等力学性能,并记录了其破坏过程和力学响应。研究结果表明,提出的试验方法稳定可靠,对三维机织复合材料的静态和疲劳力学性能研究有着促进作用。研究了三维机织复合材料面外剪切疲劳损伤机理。从前面提出的试验方法出发,结合3D DIC技术应变测试系统、非接触式全场温度测量热像仪、光学显微镜和Micro-CT技术等观测分析手段,对三维机织复合材料的面外剪切疲劳性能进行了系统的研究,得到了两个应力比(R=0.1和R=-1)下的S-N曲线。接下来,通过多种手段结合,利用光学显微镜对典型断口形貌进行观察,利用Micro-CT对三维机织复合材料面外剪切疲劳的内部裂纹进行观测,利用热像仪对疲劳试验过程中的温度进行实时监测,揭示了三维机织复合材料面外剪切疲劳损伤破坏机理。提出了三维机织复合材料面外剪切疲劳寿命判据,针对不同的材料使用条件建立合适的疲劳寿命临界条件判据。为了满足不同使用工况的材料使用需求,提出了S-N曲线簇的概念,并建立了三维机织复合材料面外剪切疲劳的S-N曲线簇。然后,建立了三维机织复合材料面外剪切疲劳的非线性双应力比等寿命图(DSR CLD,Dual Stress Ratios Constant Life Diagram)模型,并给出了该材料在不同疲劳寿命判据下的等寿命曲线图。基于等寿命模型,建立了疲劳寿命预测模型,提出了任意应力比下的S-N曲线获取方法。建立了三维机织复合材料面外剪切疲劳渐进损伤失效模型。作者基于多相有限元法,建立了三维机织复合材料面外剪切全尺寸有限元模型。该模型引入了纤维束的纤维-基体间应变不协调效应、纤维压缩扭结带、纤维横向破坏断裂角和纤维剪切破坏的非线性效应,同时考虑了环氧树脂基体的非线性损伤过程,然后结合纤维束和基体在疲劳载荷作用下的刚度和强度退化模型,对三维机织复合材料的刚度退化、寿命和S-N曲线进行了预报,模型的预报结果和试验结果具有较高的吻合度。最后,对三维机织复合材料面外剪切疲劳失效过程进行分析,揭示其失效机理,为三维机织复合材料的面外剪切疲劳设计提供参考。
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