开孔方式和开孔直径对三维编织复合材料拉伸性质的影响

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三维编织复合材料在使用过程中不可避免会遇到开孔问题,开孔方式和开孔直径对编织复合材料加载变形和失效产生显著影响。本课题主要研究三维编织复合材料在钻孔和编孔两种开孔方式,5mm、10mm、15mm三种不同孔径条件下的拉伸性质和破坏模式,用有限元方法结合数字图像相关技术研究开孔方式和开孔直径对三维编织复合材料拉伸强度影响。
  主要研究工作如下:
  (1)制备两种开孔方式和三种开孔直径编织复合材料试件,测试拉伸载荷位移曲线,观测拉伸失效形态;
  (2)运用数字图像相关技术(DIC)获得各试件表面应变数据,研究开孔前后应力集中对复合材料拉伸强度影响,以及失效模式与开孔方式关系。
  (3)在三维编织复合材料宏观均质化模型层面,用有限元方法计算钻孔编织复合材料拉伸破坏过程,揭示开孔方式和开孔直径对拉伸性质的影响规律。
  本文主要结论如下:
  (1)编孔试件和钻孔试件峰值载荷均随孔径增大而减小;同一孔径下,编孔试件承载力要大于钻孔试件承载力。
  (2)拉伸加载下,会引起±30°、90°方向上裂纹以及纤维和基体的界面失效。对于编试件孔,当孔径较小时对试件的拉伸破坏模式几乎无影响,孔径较大时在编孔周围发生失效。对于钻孔试件,在孔径为5mm时,发生离轴30°方向破坏,当孔径较大时,在垂直于加载方向发生破坏。
  (3)应变主要分布于孔周以及±30°、90°方向局部区域。钻孔试件在三种孔径下,纵向拉伸应变、横向收缩应变和面内剪切应变分布均呈现良好对称性,面内剪切应变分布关于圆孔中心对称;编孔试件应变分布较散乱,最大应变出现在孔周附近,并不对称。
  (4)钻孔试件损伤点起始于孔应力集中点,沿面内剪切应变方向扩展,最终沿孔剪切断裂失效。
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