超高分子量聚乙烯长丝织物撕裂损伤的有限元分析

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纤维增强结构和韧性聚合物基体组成了柔性复合材料,其中增强结构决定着柔性复合材料的承载能力并保障了织物的尺寸稳定性,提供材料的强度和刚度,起主要作用。对于增强结构的力学性能、损伤和破坏行为、材料大变形的监测以及预测材料的非线性弹性行为的研究显得格外重要。因此,常作为柔性复合材料中增强结构的超高分子量聚乙烯长丝织物,它的撕裂性能是本文研究的重点。本文针对两种不同规格的超高分子量聚乙烯长丝织物,对其进行纬向单缝撕裂性能的实验研究和有限元模拟分析。第一步先对织物中的纱线进行断裂拉伸实验,得到纱线的相关力学性能参数;再对织物进行纬向单缝法的撕裂测试,得到撕裂结果。第二步以织物中纱线的力学性能参数作为依据,对这两种织物分别进行建模和有限元模拟撕裂的计算与分析。第三步通过计算机输出结果,得到超高分子量聚乙烯长丝织物纬向单缝法撕裂的最终撕裂形态、撕裂载荷-位移曲线等,并将这些模拟结果与准静态撕裂实验结果进行比对,揭示模型与有限元计算结果的准确性与有效性、探究并分析影响织物撕裂的相关因素和撕裂机理。准静态实验结果表明,超高分子量聚乙烯长丝织物在纬向单缝法下的撕裂破坏是由剪切作用造成的,撕裂应力三角形的大小和织物撕裂强力的大小呈正相关,撕裂过程中应力三角形的大小不会发生明显的变化,只是不断前移。非受拉伸系统的纱线逐根断裂,形成状似刀切的断裂面,在撕裂载荷-位移曲线上表现为在一个平台上上下抖动。有限元计算结果表明,采用二次曲线(RHO=0.5)来建立纱线模型、经纬纱摩擦系数定为0.001、网格划分选用2单元4节点(2E4N)、泊松比定为0.100、应力三轴度定为0.333,得到的有限元模拟撕裂结果在最节约计算机计算资源的情况下最贴合准静态撕裂实验结果。影响织物撕裂强力的因素主要有经纱线的断裂强度、经纬纱的半径、织物的经密和纬密。为了在实际生产生活中设计出具有高撕裂强力的超高分子量聚乙烯长丝织物,可通过提高织物中经纱线的断裂强度以及经纱密度,同时可以适当减小经纬纱特数以及纬纱密度或者增大经纬纱体积质量的方法来实现。通过准静态实验测试结果和有限元计算的能量输出结果验证,说明有限元模拟计算的准确性与有效性。因此可以参考本文中的仿真模拟设计,运用到其他更为复杂的织物数值模拟计算中去。
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