三维编织复合材料t型梁弯曲疲劳性能 57页

学校代码：10255学号：2110072三维编织复合材料T型梁弯曲疲劳性能Bendingfatiguebehaviorsoffour-step3DbraidedcompositeT-beam专业：纺织材料与纺织品设计姓名：张中伟导师：孙宝忠顾伯洪答辩日期：2014年01月东华大学硕士研究生创新资助项目(EG2013004) 东华大学学位论文原创性声明＼嘲艄本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风．所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果．除文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品及成果的内容．论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担．学位论文作者签名：厉冲诌日期：山J沙年／月B日 东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅．本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文．本学位论文属于保密口，在年解密后适用本版权书．不保密■．学位论文作者签名：私聿名易日期：纱7眸1月B日指导教师签名：触日期0D绎7月侈日 三维编织复合材料T型梁弯曲疲劳性能摘要四步法三维编织技术能够整体成型复杂结构件，其成型的结构件能够满足航空航天、汽车等领域对构件安全性的要求．T型梁结构件，在使用过程中通常需要承受弯曲载荷的不断加载作用，因此表征其三点弯曲疲劳性能具有很高实用价值．本课题主要对四步法三维编织复合材料T型梁弯曲疲劳性能进行研究，探索材料弯曲疲劳寿命，分析弯曲疲劳载荷作用下材料刚度变化过程以及原因，比较不同应力水平下材料破坏形态的差异，探讨不同应力水平对材料破坏模式的影响．本论文主要工作内容有：1．三维编织复合材料T型梁预成型体四步法编织采用四步法三维编织技术可一次成型T型梁预成型体，由于材料整体成型，可以避免其他结构织物无法避免的筋高与梁面连接处在加载过程中易成为弱环的缺陷，同时增强了T型梁层间剪切强度，改善厚度方向刚度．2．VARTM制备T型梁复合材料三维编织复合材料T型梁成品要求筋高与梁面呈90度，所得复合材料厚度相对均匀，表面相对光滑，树脂对纤维的浸润度好，复合材料内部气泡少．实验中采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)进行复合材料固化成型，通过控制适合的负压制备出达到要求的三维编织复合材料T型梁． 3．三维编织复合材料T型梁准静态三点弯曲测试及有限元分析采用MTS810．23材料测试仪器进行三维编织复合材料T型梁准静态三点弯曲实验，得到T型梁最大弯曲刚度．使用ABAQUS商用有限元包与FORTRAN编写的用户子程序交互作用对准静态三点弯曲实验进行有限元模拟分析，结果表明T型梁在准静态三点弯曲加载过程中所受应力最大的区域为筋高中间受拉伸载荷作用区域．4．三维编织复合材料T型梁三点弯曲疲劳实验三点弯曲疲劳实验同样通过MTS810．23材料测试系统进行，根据准静态三点弯曲实验测得的T型梁最大弯曲刚度确定疲劳实验应力水平，根据实验数据分析得到材料疲劳寿命为50％应力水平，探讨在疲劳实验中刚度变化过程并得出T型梁疲劳破坏大致可分为三个阶段，对比不同应力水平下T型梁破坏形态，得到材料疲劳破坏模式有基体开裂、纤维与基体间界面脱粘及纤维断裂．关键词四步法三维编织复合材料；T型梁；有限元分析；三点弯曲疲劳；疲劳失效模式 Bendingfatiguebehaviorsoffour-step3DbraidedcompositeT-beamAbstractThefour-stepbraidingtechnologycallmanufacturecomplexsnucturalcomponentwithnear-set—shapefeaturewhichCanmeetthesafetyrequriementsofaerospaceengineeringandautomotiveindustryetc．Asacommonstucturepart，T-beamalwaysbesustainedtocyclicbendingloadingduringservicelifewhichmakesitgreatvauleforexperimentalcharacterizationofitsbendingfatiguebehaviorThisprojectreportsthethree-pointbendingfatiguebehaviorsoffour-step3DbraidedcompositeT-beam．Thefatiguelife，stiffnessdegradationofT-beamunderthree-pointcyclicbendloadingisexplored．TheeffectsofstresslevelonT-beamfatiguefailuremodearediscussedbycomparingthedamagemorphologiesunderdifferentstresslevelsThemaininvestigationsequivalenttothefollowing：1．Four-stepbraidingof3DbraidedT-beampreformsTheT-beampreformswerefabricatedbyfour-stepbraidingtechniquewhoseintegratedlllicrosnuc眦scouldavoidthedefectbetweenwebandflange．enhancetheinterlaminarshearstrengthandimprovethestrengthalongthe吐lickness．2．、，AR硼ⅥThevacuumassistedresintransfermoldingtechique(VARTM)wasemployedtomanufacturethe3DbraidedcompositeT-beamwhichcouldreachtherequirementsofT-beamcompositesperfectly．ThewebandflangeofT-beamcompositesmustbevertically,uniformⅡlickness，smoothappearance，goodinfiltrationdegreeofresinandlessbubblesarealsorequired． 3．Thequasi—staticthree-pointbendingtestandfiniteelementmethod(FEM)of3DbraidedT-beamcomposites．Thequasi-staticthree-pointbendingtestwasexperimentedontheMTS810．23tester,fromwhichtheultimatebendingstiffnesscouldbeobtained．ThentheFEMofquasi—staticbendingtestconductedbytheinteractionbetweenABAQUSandVUMATwritteninFORTRAN．FEMresultsshowthatthecentreareaofwebwheresustainstensionloadenduresthelargeststressduringthetest．4．Three-pointbendingfatiguetestThethree-pointbendingfatiguetestalsoconductedontheMTS810．23systems．ThestresslevelsusedinfatiguetestswereobtainedfromtheultimatebendingstiffnessofT-beam．FatiguelimitofT-beamis50％stresslevelOnthebasisoftestdata，ThreestagescouldbefoundfromthestiffnessdegradationcurvesofT-beam．ThefatiguefailuremodesofT-beamarematrixcracks，debondingbetweenfiber-matrixinterfaceandfiberbreakage，comparingthedamagemorphologiesofT-beamunderdifferentstresslevels．ZHANGZhongwei(TextileMaterialandTextilesDesign)SupervisedbySUNBaozhongKEYWORDS：i"our-step3Dbraidedcomposite；T-beam；finiteelementmethod；three-pointbendingfatigue；fatiguefailuremechanisms 目录第一章综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1三维纺织复合材料疲劳研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2本课题研究内容及待解决的困难⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41．3本课题的章节安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5第二章四步法三维编织T型梁复合材料制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72．1T型梁预成型体的三维编织⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72．2T型梁复合材料成型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．2．1材料准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．102．2，2固化成型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11第三章三点弯曲准静态实验及疲劳实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1S3．1准静态三点弯曲实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．153．2三点弯曲疲劳实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．183．2．1S-N曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一193．2．1．1S-N曲线指数式表示形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。193．2．1．2S-N曲线三参数式表达形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．193．2．1．3S-N曲线幂函数表达形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．193．2．2实验所得S-N曲线分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20第四章三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳损伤分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．234．1三维编织T型梁复合材料挠度变化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯234．2刚度降解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．264．3三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳应变能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．284．4疲劳破坏形态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．30第五章准静态三点弯曲实验有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯355．1单胞模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯355．2有限元分析基本设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．365．2．1材料属性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．365．2．2接触、约束及分析步设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．375．2．3网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．375．3有限元分析结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．37第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯416．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯416．2未来及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．42致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．45攻读硕士期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．49 东华大学硕士研究生毕业论文第一章综述第一章综L址-E弟一早综1．1三维纺织复合材料疲劳研究现状三维纺织复合材料在实际使用过程中通常承受载荷循环加载作用，由此造成的疲劳损伤是三维纺织复合材料在工程应用中的主要损伤失效形式之一．目前国内外对三维纺织复合材料疲劳性能进行了一定研究．Tsai等【l】对不同层数三维多层角联锁机织复合材料沿纬纱方向的拉伸疲劳性能进行了实验研究．Gowayed等【2J通过有限元分析研究了三维角联锁复合材料拉．拉疲劳性能．李志君等【3】利用扫描电镜、电子显微镜等对高性能复合材料弯曲疲劳损伤机理进行微观表征和理论探讨．丁辛等【4】研究探索了三维机织复合材料弯曲疲劳和压缩性能．Mouritz掣5J利用缝合复合材料及z—pins复合材料验证了可精确预测三维纤维聚合物复合材料一定循环载荷条件下疲劳寿命的简易模型．Tumino等【6】提出一个可以用于模拟计算复合材料在混合破坏模式下疲劳分层扩展状况的数值化模型．Rudov．clark等【7J对Z．binders含量不同的三维正交机织复合材料疲劳性能进行了研究．Carvelli等[8】对比研究了厚度相同并且纤维体积含量接近的三维正交玻璃纤维复合材料和层合玻璃纤维增强复合材料的拉．拉疲劳性能．Karahan等【9】通过实验研究了三维正交碳纤维／环氧树脂复合材料面内拉．拉疲劳性能．Sun等【lo’ll】利用有限元分析方法对三维正交机织复合材料以及三维角联锁机织复合材料的三点弯曲疲劳性能进行了分析研究．JiIl等[12-15】对三维角联锁复合材料三点弯曲疲劳性能及拉一拉疲劳性能进行了实验研究，从累积损伤方面对三维角联锁复合材料三点弯曲疲劳性能进行了详细分析，并对将其与三维正交机织复合材料弯曲疲劳性能进行对比研究．Yao等【l6】对比研究了相同厚度和纤维体积含量的三维机织玻璃纤维增强复合材料与二维复合材料弯曲疲劳性能．上述研究人员的研究成果见表1．1． 东华大学硕士研究生毕业论文第一章综述研究人员研究成果Tsai等(2000)Gowayed等(2001)李志君等(2004)丁辛等(2006)Mouritz等(2006)Tumino等(2007)Rudov等(2008)Carvelli等(2010)Karahan等(2011)Sun等(2012及2013)Jin等(2012及2013)Yao等(2013)研宄得到三维多层角联锁机织复合材料三层样品相对于五层样品极限静态拉伸强度更高，但五层样品疲劳寿命更长．建立了可以用于分析三维角联锁复合材料拉一拉疲劳性能的单胞模型．指出复合材料疲劳损伤三种表现形式为纤维断裂、基体开裂和界面剪切破坏，同时提出提高复合材料构件耐疲劳性能的有效手段．分析得到三维机织复合材料弯曲疲劳性能呈渐进式下降，不会出现突变性失效．基于三个经验常量建立了可用于精确预测三维纤维聚合物复合材料一定循环载荷条件下疲劳寿命的简易模型．建立了可以为承受循环加载的结构复合材料设计新参考依据的数值化模型．研究了Z-binders含量对三维正交机织复合材料疲劳寿命和强度的影响．比较得出三维正交复合材料在疲劳加载条件下不受分层现象影响．研究得出在412-450MPa载荷范围内三维正交碳纤维／环氧树脂复合材料沿经向加载和沿纬向加载的面内拉．拉疲劳寿命相同．建立了可以应用于三维正交机织复合材料以及三维角联锁机织复合材料三点弯曲疲劳性能研究的两种有限元模型，为三维机织复合材料理论设计奠定了基础．研究分析了三维角联锁机织复合材料弯曲疲劳及拉一拉损伤机理，对比三维角联锁复合材料与三维正交复合材料弯曲疲劳损伤的异同，研究阐述了结构效应对两种复合材料疲劳性能的影响．通过研究分析讨论了三维复合材料优势，验证了利用线性回归模型对三维复合材料弯曲疲劳剩余刚度进行预测的可行性．三维编织复合材料由于能够整体成型复杂结构件的特性，近几年同样受到关注，研究人员对三维编织复合材料疲劳性能进行了一些研究．Li等【I7J对三维编织复合材料拉．拉疲劳性能及编织结构对疲劳性能影响进行实验研究．Liao等【l毪wJ通过疲劳载荷位移曲线及试样的挠度变化研究了三维整体编织碳／碳复合材料弯曲疲劳性能，同时研究了拉伸疲劳载荷对该种材料抗弯性能的影响．Du等LZu’引J通过实验研究了三维编织碳纤维增强碳化硅基复合材料拉．拉疲劳性能及疲劳过程中材料的损伤演化．Jedda掣22J对比研究了三维编织和针织人造前交叉韧带在循环拉伸载荷作用下的机械性能．Zhao等【23"241对四步法三维编织复合材料矩形2 东华大学硕士研究生毕业论文第一章综述梁不同应力水平下的弯曲疲劳性能进行实验研究，并基于实验研究对其弯曲疲劳性能进行了有限元分析．Montesano等【251对高温环境下三维编织碳纤维增强复合材料疲劳破坏进行了实验研究，并建立了疲劳破坏预测模型．上述研究人员的研究成果见表1．2．表1-2三维编织复合材料疲劳研宄现状研究者研究贡献Li等(2005)Liao等(2007及2008)Du等(2011)Jedda等(2011)Zhao等(Zhao等2011，Sun等2012)Montesano等(2013)分析研究了相应三维编织复合材料的拉一拉疲劳强度，探讨编织角对三维编织复合材料疲劳性能的影响程度及影响原因．研究获得了相应三维编织C／C复合材料疲劳极限，提出界面滑移磨损对该材料疲劳失效过程有重要影响，指出所施加应力水平直接决定界面滑移速度；分析得到拉伸疲劳载荷有助于提高材料抗弯性能，为增强三维编织C／C复合材料抗弯性能提供了新的方法．实验获得了三维编织碳纤维增强碳化硅基复合材料在特定条件下的疲劳极限，分析了该材料在疲劳过程中的损伤演化并建立了其电阻变化率随疲劳周次变化的模型．分析得到循环载荷降低人造前交叉韧带最大应变和极限拉伸强度，但对其刚度不产生明显影响，编织结构假体比针织结构假体抗疲劳性能更好．研究了四步法三维编织复合材料矩形梁弯曲疲劳性能，分析了其疲劳寿命及疲劳损伤模式，建立了适用于三维编织复合材料弯曲疲劳性能分析的单胞模型和用户子程序．研究得到高温环境下三维编织碳纤维增强复合材料微观破坏演化和局部形变性能，建立了可用的疲劳破坏预测模型．从上述文献可以看出，随着三维纺织复合材料在各个领域开始大量应用，研究人员为了找到三维纺织复合材料的疲劳性能做了一定的实验研究工作，为三维纺织复合材料的设计及应用提供了一定的理论基础．但是，对于三维纺织复合材料疲劳的研究主要还是集中在Z-pins、缝合以及三维机织和针织复合材料等方面，而针对能够一体成型复杂结构件的三维编织复合材料的研究则相对较少，导致这种情况的原因可能是因为三维编织技术相对还不够成熟，研究工作所需要耗费的入力物力成本较大．面对目前三维编织复合材料逐渐受到重视，其安全性以及稳定性理论目前尚不成熟的状况，对其疲劳性能的研究是大势所趋．因此本课题利用MTS810．23材料测试仪器对三维编织T型梁复合材料三点弯曲疲劳性能进行研究，旨在希望通过本课题的研究为三维编织结构件复合材料的应用提供一定的理论基础．3 东华大学硕士研究生毕业论文第一章综述1．2本课题研究内容及待解决的困难本课题主要是通过实验研究四步法三维编织复合材料T型梁的三点弯曲疲劳性能，揭示材料疲劳寿命，根据实验记录的载荷挠度变化计算得到刚度降解曲线、应变能曲线等，结合材料的最终破坏形态总结材料破坏机理，运用有限元软件与用户子程序交互作用计算分析材料准静态三点弯曲过程中整体应力分布情况．课题研究流程框架如下：根据研究框架安排，总结了如下研究内容及研究过程中待解决的难题：(1)熟悉四步法三维编织技术，探讨并掌握如何利用该技术一次编织成型碳纤维三维编织T型梁预成型体，特别是在编织过程中如何控制编织角以及预成型体表面的匀整，控制碳纤维起毛程度，以免最终预成型体的力学性能受影响．(2)掌握真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)技术，制作合适的模具并探寻适合三维编织T型梁预成型体成型的真空负压，保证树脂在浸润预成型体过程中的流动均匀性，确保最终制作出气泡含量小、纤维体积含量适当的符合实验要求的三维编织T型梁复合材料．(3)通过MTS810．23材料测试仪器进行准静态三点弯曲测试，记录数据分析三维编织T型梁复合材料最大弯曲强度，确定材料在疲劳测试中使用的正弦波载荷峰值以及振幅．对材料的准静态三点弯曲利用商用有限元软件ABAQUS与用户自编写的子程序交互作用，分析在准静态加载下材料各部位所承受的应力，为接下来的疲劳实验分析提供一定的基础．(4)疲劳测试，由仪器记录材料在三点弯曲正弦载荷作用下整个疲劳过程中承受的载荷以及形变量的变化，根据数据分析讨论材料的疲劳寿命，计算材料4 东华大学硕士研究生毕业论文第一章综述在疲劳过程中的能量吸收状况、刚度降解趋势等，并比较不同应力水平下T型梁复合材料的破坏形态，分析材料疲劳破坏模式．1．3本课题的章节安排第一章，综合描述了国内外研究者对三维纺织复合材料疲劳性能研究工作，讨论目前已有的研究工作的成果，并指出三维编织复合材料力学性能的研究尚比较匮乏，引入四步法三维编织技术一体编织成型的三维编织T型梁复合材料结构件，提出应用MTS810．23材料测试仪器对其进行准静态三点弯曲以及三点弯曲疲劳测试，利用实验数据分析研究材料的疲劳力学性能．第二章，介绍四步法三维编织技术及真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)，给出本课题所使用的四步法三维编织T型梁复合材料所使用的材料及其制备过程．第三章，通过MTS810．23材料测试仪器进行三维编织T型梁复合材料准静态三点弯曲实验，分析得到材料最大弯曲强度并确定三点弯曲疲劳采用的应力水平，分析材料的S-N曲线．第四章，根据仪器记录数据分析材料在疲劳加载过程中挠度变化情况、能量吸收情况和刚度降解趋势等，结合材料最终破坏形态分析材料疲劳损伤机理．第五章，讨论如何建立适当的单胞模型，利用商用有限元软件ABAQUS结合用户子程序对材料的准静态三点弯曲实验进行模拟计算，通过材料整体应力分布情况分析最终破坏形态形成原因，对比模拟结果与实验结果验证有限元分析的正确性．第六章，总结分析本课题的工作，对未来三维编织复合材料结构件的研究工作的展望． 东华大学硕士研究生毕业论文第一章综述6 东华大学硕士研究生毕业论文第二章四步法三维编织T型梁复合材料制备1T型梁预成型体的三维编织本课题选用四步法三维编织进行T型梁预成型体的编织．三维编织复合材料不存在分层问题，所形成的结构是完全的整体结构，具有很高的比强度和比模量，同时力学性能也十分优良，因此该技术具有制作主承力结构件以及特殊多功能制件的潜能[26-30]．四步法编织中携纱锭子根据编织要求排成m行1"1列的主体方阵，边纱锭子在方阵周围间隔排列，编织物中纱线的内部空间结构即由携纱锭子在编织过程中的移动决定．四步法三维编织时，携纱锭子分为四步进行移动，如图2—1所示．第一步，携纱锭子相邻的两列分别上下移动一个锭子的位置；第二步，携纱锭子相邻的两行分别左右移动一个锭子位置；第三步，携纱锭子按照与第一步相反的路径移动；第四步，携纱锭子按照与第二步相反的路径移动．四步法编织复杂形状结构件时，携纱锭子主体方阵排布与结构件的横截面形状相同，如图2．2为T型梁的携纱锭子排布示意图．0+0◆oooooOoooo丰0●0Il第=步o初始状态oo—◆OoO啼OO第二步o00000oooOoo0000ooooo+O◆oooOOooOOooooOoooOooOo，●◆ooOoO哕oooOo，静；ooooO0O一O+O+ooooooOoOo陟oOooo鳜OoOOo+o◆o一 东华大学硕士研究生毕业论文第二章四步法三维编织T型梁复合材料制备T塑梁携纱镶子排森圈图2—2T型粱携耄多鲁芒亍气爿}竹釉图四步法编织过程中，携纱锭子移动四步构成一个编织周期，每个编织周期所形成的的长度称为编织物的一个节长，编织过程中需要控制打纬力度使编织物节长维持在一个接近相同的程度，以便保证预成型体各个部位承载能力均匀相同．表2．1为三维编织T型梁预成型体的规格参数．T型梁预成型体结构如图2—3所示．表2-1四步法三维编织T型粱预成型体规格参数项目规格纤维牌号预成型体结构纱线总数编织角／(。)花节长度／rain预成型体尺寸／illill东丽T700．12K碳纤维三维四向19030士32．5~3．0底板：220x44x4；筋高：220x4x880OooooOOOo|oo0oOO00000000000000OOO000000OOQoO00000O0 东华大学硕士研究生毕业论文第二章四步法三维编织T型梁复合材料制备藉“一}|。{{}、；。；j≥mm图2-3三维编织T型梁预成型体2．2T型梁复合材料成型T型梁作为结构件，筋高的存在使得其成型固化相对一般的矩形截面复合材料复杂程度更高，在固化过程中需要使树脂完全浸润包括筋高在内的整个结构件，同时需要保证树脂流动的均匀性，避免树脂流动过程中出现快速通道而导致T型梁表面产生未被树脂浸润的干斑，并尽量减少复合材料中的气泡数量．本课题选用真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM．VacuumAssistedResinTransferMolding)进行三维编织T型梁复合材料的固化成型．VARTM工艺是目前世界上用于制作尺寸大的复合材料制品较先进的高性能低成本液体模塑成型技术，通过真空辅助排除模具及纤维增强体中的空气，使树脂能更好的浸润增强体，提高了纤维体积含量，成型过程中减少了苯乙烯等有害气体的挥发，更加环保，同时VARTM工艺对增强体材料的结构形状及尺寸要求不高，适用制造的结构以及尺寸更加广泛[31-33J．如图2．4为VARTM工艺流程示意图．圜 东华大学硕士研究生毕业论文第二章四步法三维编织T型梁复合材料制备2．2．1材料准备图2_4YARTM工艺示意图Pump采用VARTM工艺进行T型梁复合材料制备之前，为保证所得T型梁制品质量符合实验要求，必须做好准备工作，根据VARTM工艺特点以及T型梁的结构特点选取适合的树脂并制作合适的模具，其中VARTM工艺对所使用的树脂粘度有较高的要求，而所用模具则需要表面光洁．树脂按照加工行为不同分为热固性树脂和热塑性树脂，热固性树脂是指受热后发生化学变化，硬化成型为不溶不熔的树脂，主要有酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯以及硅醚树脂等；热塑性树脂是指受热发生软化，冷却后硬化成型，可以反复进行塑化成型的一种线性结构聚合物，主要有聚乙烯、聚苯乙烯以及聚丙烯等．本课题中T型梁复合材料固化选用热固性树脂中的环氧树脂．VARTM工艺对所使用的树脂有一定的要求，树脂的粘度要相对较低，使树脂能够比较好的浸润纤维增强体并保持较快的浸润速度，另外树脂在室温下有较长的凝胶速度，确保树脂在浸润纤维增强体过程中粘度不发生显著改变．表2-2为本课题所选用的由常熟佳发提供的JC．02A型环氧树脂及JC．02B型改性酸酐固化剂主要技术指标．表2-2树脂体系主要技术指标VARTM工艺制作复合材料过程中需要模具的辅助使其所得复合材料表面光洁，同时避免材料在真空压力作用下产生较大的形变．由于三维编织T型梁预成10 东华大学硕士研究生毕业论文第二章四步法三维编织T型梁复合材料制备型体属于柔性材料，在真空压力作用下其筋高可能会发生倾斜或弯折，从而影响所得T型梁复合材料制品的质量，因此本课题中选用两个自制的铝合金L型板作为夹板对T型梁的筋高进行固定，确保筋高与底板保持垂直状态．2．2．2固化成型如图2-5为VARTM工艺流程．模具的清洁性直接关系到树脂能否完全浸润增强体而不产生干斑等缺陷；增强体在使用前必须进行整形等预处理，确保增强体形状符合要求；树脂在导入前必须进行完全的脱泡处理，以避免复合材料中出现气泡．I燃及清理图2-5v伽工艺流程T型梁复合材料VARTM工艺成型实验如图2-6所示，在实验过程中需要控制好真空负压，树脂导入时的负压值需要保持在适当大小，既可以引导树脂浸润增强体，同时要使树脂流动前沿接近在同一直线位置均匀浸润增强体，避免由于负压过大而导致树脂对增强体浸润不完全。 东华大学硕士研究生毕业论文第二章四步法三维编织T型梁复合材料制备图2-6删实际操作实验T型梁复合材料制作过程中遇到的问题及解决途径：(1)复合材料表面有干斑导致复合材料表面出现干斑的问题有多种，首先是模具是否清洁，模具表面可能会有固体颗粒等杂质，在使用之前必须使用丙酮和酒精将模具清洗干净；其次可能是因为树脂溶液中所含气泡没有被排除干净，即树脂脱泡不完全，导致某些大气泡停留在了材料表面，使该处表面形成无脂区，这就需要将树脂溶液在使用前进行严格的脱泡工作；第三可能是因为注入树脂时所使用负压过大，导致树脂在增强体中快速流过，材料表面没有被浸润完全，因此导入树脂时所使用的负压大小必须严格控制在合理范围内；第四种可能是真空袋破损导致系统内有空气进入，因此系统密封后必须进行气密性检验，确保整个系统完全密封后才可进行树脂导入．另外可能还有环境温湿度等影响．(2)复合材料中含有较多气泡这是由于树脂溶液在使用之前脱泡不完全，溶液中含有气体，在进入抽真空形成的负压环境后，气体在其中形成小气泡，这些气泡进入纤维增强体内部后无法顺利的在负压作用下被抽出去，导致最终复合材料中含有大量气泡，因此树脂溶液在使用之前必须进行严格脱泡流程．除此之外预成型体预处理不完全，内部含有水汽也可能导致最终复合材料含有较多气泡，因此预成型体在使用前需要进行适当的预热处理．(3)复合材料脱模困难引起脱模困难的因素主要是脱模剂喷涂不均匀或者脱模布尺寸过小，使导入的树脂在固化过程中与模具粘在一起，从而难以分开，因此在对模具进行喷涂时必须将整个模具用脱模剂进行完全并且均匀的涂抹，确保模具被脱模剂完全覆盖，脱模布的尺寸需要足够大，能够恰好包裹预成型体，使预成型体与模具不会产生直接接触．本课题所使用的脱模剂为美国AXEL公司提供的850气干性外脱模剂． 东华大学硕士研究生毕业论文第二章四步法三维编织T型梁复合材料制备(4)T型梁复合材料外侧不平整或整体有弯曲导致外侧不平整的原因是预成型体预处理过程中整形不完全，整形过程中材料外侧边缘没有进行完全整理，导致外侧凹凸不平，最终固化形成的复合材料外侧不平整，同时整体有弯曲的原因是在整形过程中没有将预成型体整理到笔直的状态，因此预成型体必须经过严格的整形工序才能进行固化成型．图2．7为VARTM工艺成型的三维编织T型梁复合材料正面图及侧面图．固化后复合材料T型梁尺寸为：220mmx44mmx4mm(底板)；220mmx4mmx8mm(筋高)，节长为2．5mm～3．Omm，编织角为3004-30，纤维体积含量为57％4-2％．(a)图2—7三维编织T型梁复合材料：(a)正面图；(b)侧面图 东华大学硕士研究生毕业论文第二章四步法三维编织T型梁复合材料制备14 东华大学硕士研究生毕业论文第三章三点弯曲准静态实验及疲劳实验三维编织T型梁复合材料由于筋高的存在，其所能承受的弯曲载荷相对于矩形截面的梁必然有很大的提升，为了研究其在三点弯曲作用下的力学性能，对三维编织T型梁复合材料进行准静态三点弯曲测试，并分析实验数据得到其所能承受的最大弯曲载荷，作为后期三点弯曲疲劳加载载荷应力水平的参考标准．选取分别涵盖高、中、低层面的应力水平进行三点弯曲疲劳实验，记录并分析所得数据，讨论材料疲劳性能．3．1准静态三点弯曲实验三维编织T型梁复合材料的准静态三点弯曲实验在MTS810．23材料测试仪器上进行，如图3．1为准静态三点弯曲图，如3．1qh(b)所示，实验中采用三个相同的直径为20mm、长为70mm的金属圆辊，材料筋高朝下放置在两个支撑辊上，两支撑辊间隔距为160mm，实验过程中依靠三个辊子的作用使材料位置固定，上端压辊对材料进行准静态加载至材料失效，提取仪器记录的数据分析得到材料最大弯曲强度．实验在室温25℃、湿度50％条件下进行，实验中压辊以2mm／min速度对材料进行准静态加载，取三个试样进行实验并分析数据得到如图3．2所示的应力．挠度平均值曲线，曲线中应力为根据梁应力计算方法计算所得，对T型梁，其梁截面左右对称，水平方向的中性轴距底边距离为yc，其中性轴通过截面形心．因此将T型梁分为两个矩形，其形心分别为Yl和y2，利用形心公式算得该T型梁形心位于中性轴上距底边4．4mm处，由平行移轴公式，整个截面对中性轴的惯性矩可由公式3。1计算得到，然后由应力计算公式3．2计算得到T型梁所受最大弯益应力为764MPa，式中各变量如图3．3中所示．丘=鲁竽+岛如．(红+咒一儿)2+鲁筝+62吃．(儿一儿)：(3．1)M·Y仃=——‘I，(3—2) 东华大学硕士研究生毕业论文第三章三点弯曲准静态实验及疲劳实验(a)(b)L-』一LJ《赢020Jl厂；、i，=!、图3-l准静态三点弯曲实验。一。⋯。¨jj⋯-_|一|。-。一_。≥冬。∥／。／一一／／／?一j。‘i7‘／．；／．．?一／．／一，：．10246810Deflection(mm)图3_2准静态三点弯曲应力—挠度平均值曲线16∞o87654321一俯艮荟一∞协9Jlsac一刁c98 东华大学硕士研究生毕业论文第三章三点弯曲准静态实验及疲劳实验图3-3三维编织复合材料T型粱截面示意图根据准静态三点弯曲应力．挠度平均值曲线可以看出，曲线初期几乎呈线性增长，当载荷加载到一定程度后，材料载荷挠度曲线增长趋势变缓，当达到材料所能承受最大载荷时，载荷挠度曲线最大幅值陡降，材料失效．结合图34所示的材料准静态三点弯曲破坏图分析可能原因为：T型梁复合材料在加载初期主要为基体裂纹的产生，这段时间材料本身并没有出现严重损伤，材料承载能力呈接近线性变化趋势；随着加载的进行，裂纹扩散到纤维与基体的界面处以及纤维内部，使内部发生界面脱粘现象，筋高部分纤维逐渐发生断裂，材料刚度降低，材料承载能力逐渐下降，载荷挠度曲线增长趋势变缓；最终筋高处纤维完全断裂导致材料失效，承载能力陡降，这样就形成了载荷挠度曲线呈现阶段式变化．图3-4准静态三点弯曲破坏图 东华大学硕士研究生毕业论文第三章三点弯曲准静态实验及疲劳实验3．2三点弯曲疲劳实验三维编织复合材料在实际使用过程中通常要承受多种形式的循环加载，比如拉．拉疲劳、压．压疲劳、拉．压疲劳以及弯曲疲劳等疲劳载荷，基于材料的可用性以及安全性考虑，材料在循环载荷作用下的疲劳寿命成为相关制造业工程人员以及研究人员的关注重点，本课题针对三维编织T型梁复合材料在三点弯曲疲劳载荷作用下的疲劳寿命进行实验研究，希望为该材料的应用提供一定的理论参考基础．疲劳只有在材料承受交变载荷作用时才会发生，所以在研究材料疲劳性能时，实验选择的加载条件一般均为交变载荷，本课题在测试三维编织T型梁复合材料三点弯曲疲劳性能时选用如图3．5所示的正弦加载方式，图中一个周期内的应力变化是一个“应力循环”，正弦载荷的极大值和极小值分别称为“最大应力am缸”R：—O"m—in和“最小应力％in”，两者比值O"max称为应力比．三维编织T型梁复合材料三点弯曲疲劳测试同样在MTS810．23材料测试仪器上进行，实验在室温25。C条件下进行，采用应力比为0．1，频率为3Hz的正弦波加载方式，选取80％，70％，60％和50％四个应力水平(疲劳实验施加的最大应力与材料所能承受的最大弯曲应力之比)进行测试，其中材料最大弯曲应力由准静态三点弯曲实验(实验速度为2mm／min)测得．实验过程中MTS测试系统记录材料疲劳加载圈数以及所承受的实时载荷和挠度值，通过提取数据得到，80％应力水平下材料疲劳失效圈数为1125圈，70％应力水平下材料疲劳失效圈数为5942圈，60％应力水平下材料疲劳失效圈数为31365圈，而材料在50％应力水平下经过5×105圈以后仍然没有失效．图3-5三点弯曲疲劳正弦加载示意图18 东华大学硕士研究生毕业论文第三章三点弯曲准静态实验及疲劳实验3．2．1S-N曲线S-N啦线是指三点弯曲实验所使用的应力S与该应力作用下材料疲劳失效的加载循环圈数N(疲劳寿命)之间的关系曲线．材料疲劳失效寿命与其所承受的载荷有关，不同循环载荷作用下，材料的疲劳破坏寿命不同，通过S-N曲线结合各种累积损伤理论可以对材料的疲劳寿命进行预测．S．N曲线有三种一般表达形式：指数式、三参数式和幂函数式【34】’3．2．1．1S-N曲线指数式表示形式S-N曲线指数式表达形式为：eroS．Ⅳ=C(3—3)对上式两边取对数得：S=X+YlgN(3—4)上式中m和C是与材料形式、应力比、加载方式等相关的参数．式中X=lgC／(m·lge)，B=一1／(m·lge)，表示在单对数坐标图(应力不取对数、寿命取对数)中，应力S和循环圈数N之间存在线性关系，这种关系通常称为半对数线性关系．3．2．1。2S-N曲线三参数式表达形式在疲劳寿命研究过程中，常常希望在S．N曲线中考虑加入疲劳强度Sf，即：s=0(1+c／Ⅳ∥)(3-5)上式，p为S-N曲线的负斜率，C为材料常数，由上式可知，随着S趋近于0，N趋向于无穷大．3．2．1．3S-N曲线幂函数表达形式幂函数形式是最常用的材料S-N曲线表达形式，即∥·N=C(3-6)对上式两边取对数得：lgS=彳+BIgN(3-7)式5-5中，A=lgC／m，B=．1／m．该式表明S与N之间存在对数线性关系，这一点由实验所得S和N数据分析其在双对数坐标上是否呈线性即可论证． 东华大学硕士研究生毕业论文第三章三点弯曲准静态实验及疲劳实验3．2．2实验所得S-N曲线分析858075§70霎65∞(／3岔60∞555045_Experimentalvalue★Meanvalue’1_＼Fittingofmeanvalue‘j＼EquationY2a+《1+x)6b一：＼。＼Adj．R-S0．99962。＼●ValueStandardIlKDa13781。15986＼Db-0．078．92202_＼：．：=；_＼-：。’_kI．。●’、-淡一o＼．j。＼一。⋯，-1卜Cycles图3_6S-N曲线如图3-6为三维编织T型梁复合材料三点弯曲疲劳实验所得的应力S与循环加载次数N之间的关系图，在实验过程中分别选取了准静态三点弯曲测得的材料所能承受的最大弯曲应力值的80％，70％，60％以及50％作为不同的加载应力水平对材料进行周期性加载．由图中可以看出三维编织T型梁复合材料在80％应力水平作用下，其达到疲劳失效所能承受的循环载荷圈数为1125圈，材料在该应力水平下很快就产生疲劳破坏并最终失效，因此该材料不适合在80％应力水平环境下工作．在70％应力水平作用下进行了三次实验，材料所能承受的载荷循环圈数分别为4035圈、5942圈以及10730圈，材料所能承受载荷循环圈数有所提高，但是仍然不能满足实际使用需要，因此该材料也不适合在70％应力水平环境下工作．对于60％应力水平作用同样进行了三次测试，材料所能承受的载荷循环圈数分别为31365圈、43173圈以及69450圈，材料承受的循环载荷圈数提升较明显，然而同样不满足实际使用需要．材料在承受50％应力水平作用时，其所能承受载荷循环圈数超过50万次，并且材料本身并未发生明显破坏，这说明三维编织T型梁复合材料在50％应力水平作用下其具有很高的抗疲劳性能．根据疲劳极限定义，材料在最大应力小于等于某一数值的交变应力加载作用下，承受应力交变循环到无限次(一般以大于50万次为标准)而试样仍不出现疲劳破坏的最大应力成为材料疲劳极限．另外，由S-N曲线可以看出，随着应力水平的降低，三维编织T型梁复合材料所能承受的载荷循环加载圈数增大．因此50％应力水平即为20 东华大学硕士研究生毕业论文第三章三点弯曲准静态实验及疲劳实验三维编织T型梁复合材料三点弯曲疲劳极限，材料在不超过其最大弯曲应力50％应力水平环境下工作可以满足实际使用需要．为了进一步研究三维编织T型梁复合材料三点弯曲疲劳中应力S与疲劳寿命N之间的关系，本课题对每个应力水平下材料的疲劳寿命取平均值进行函数拟合．利用数据处理软件Origin能够十分方便的直接将实验所得数据拟合呈标准的幂函数形式，因此，不需要通过上面所述的对式3-6两边取对数后转换成直线方程再得到幂函数形式．根据式3-6，可以直接推导出一个以疲劳寿命N为自变量的关于应力S的标准幂函数形式：S=C·Ⅳ”(3．8) 东华大学硕士研究生毕业论文第三章三点弯曲准静态实验及疲劳实验22 东华大学硕士研究生毕业论文第四章三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳损伤分析在研究材料的疲劳性能过程中，研究人员提出了“损伤”这一概念，用来说明疲劳过程中材料内部结构的细微变化以及疲劳裂纹的产生及扩展．材料受到循环载荷作用时，载荷的每一次循环都会造成材料内部出现一定的损伤，这种损伤是能够积累的，当累积损伤达到材料承受的临界值时，材料就会产生疲劳破坏．疲劳损伤是材料疲劳强度和疲劳寿命分析的根本所在，其在物理上有若干不同的表现形式．目前在疲劳研究中主要的两种定义损伤途径分为：微观的或物理的，宏观的或唯象的．微观的或物理的途径是指通过特定方法直接测量得到材料疲劳损伤破坏进行分析定义，主要有位错、空洞以及微裂纹等几种损伤．宏观物理的是指通过特殊方法间接测量得到材料的疲劳损伤进行分析定义，该途径主要有剩余强度、剩余刚度、Miner疲劳损伤系数、循环耗散能以及应变能等几种方式．通过对材料疲劳累积损伤的研究可以获得材料在疲劳循环载荷加载下其疲劳损伤的积累变化过程以及疲劳失效准则，对于工程中对材料疲劳寿命的预测具有十分重大的意义．本课题分别通过对材料挠度的变化过程、内部刚度的变化过程、所吸收应变能的变化以及最终破坏形态几个方面对三维编织T型梁复合材料三点弯曲疲劳性能进行讨论研究．4．1三维编织T型梁复合材料挠度变化分析三点弯曲疲劳实验过程中，由于循环载荷的不断加载，可以很明显的观察到三维编织T型梁复合材料在实验过程中的挠度大小不断发生变化，选取材料在60％(N=31365)，70％(N=5942)以及80％fN=1125)应力水平作用下特定圈数的实验所得数据，利用ORIGIN数据处理软件得到如图4．1的载荷挠度曲线，根据该曲线分析讨论材料在三点弯曲实验过程中的挠度的具体变化过程． 东华大学硕士研究生毕业论文第四章三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳损伤分析，。、ZY、-一1：3∞o．一√’、Zl刁∞o-jDeflection(mm)(a)60％应力水平Deflection(mm)(b)70％应力水平24 东华大学硕士研究生毕业论文第四章三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳损伤分析，．、ZY、√刁∞o．．．JDeflection(mm)(c)80％应力水平图4_1三维编织T型粱复合柿降戡撇曲线由上图可以看出，三维编织T型梁复合材料在三点弯曲疲劳实验过程中，随着循环载荷的作用，其最大最小挠度均不断增大，并且材料所能承受的最大载荷值逐渐降低，相对的材料所能承受的最小载荷值逐渐增大，这可能是由于在循环载荷作用下，材料内部出现疲劳损伤并不断积累是材料弹性模量发生变化导致的．同时可以看出，在三个应力水平的最后阶段(图中A阶段)，均存在材料最大最小挠度大幅增加的现象，这可能是由于材料已经发生纤维的断裂，材料达到疲劳失效，无法再承受循环载荷的加载，导致挠度剧烈增大．另外，随着循环圈数的增长，载荷挠度曲线的滞后圈面积呈现逐渐增大的趋势，这意味着随着加载的继续，材料吸收的能量呈逐渐增多的趋势．为进一步分析材料在整个弯曲疲劳过程中挠度的变化，以60％应力水平为例，将材料在该应力水平下的特定循环的最大最小挠度数据提取出来绘制出如图4．2的最大最小挠度曲线．从图中可以看出，该试样的挠度变化过程分为三个阶段(A，B和C)．A阶段中，在较少圈数内，材料的挠度量发生显著增加，这可能是由于循环载荷开始加载以后，复合材料的基体在载荷作用下开始出现基体开裂现象，材料模量短时间内有有相对较大幅度的下降，材料位移随之呈现显著变化．初始基体开裂产生后，随着加载过程继续，裂纹开始在基体内扩展，当裂纹扩展到碳纤维与基体交界处时，引发纤维与基体界面间脱粘现象，对应图中B阶段，这25 至兰望苎塑坠竺堕堑竺兰些丝苎—————————』兰三丝堕堡!型墨墨盒塑塑变些壅蒸塑鱼坌堑三竺段要曼．要的时间较长，同时对材料模量的影响较小，材料挠度变化幅度相对篓黧2。之霉譬扩展到纤维内部时，随着应力集中就会导致纤维断裂磊羞互。j。茈爵材型篓量发生大幅下降，材料挠度剧烈增加，材料出现最终疲劳失效：；谴菡；C阶段．～⋯E爸篷‘)芒∞Q—B(■MaxdefIectionMindeftection—_，一，f—__一_。[]4-26蚴水平最大最小挠度曲线26伉瞰激雕析圈-tI}F刺盼骄奶在循生瓢竣吐象峨产见强会靴甜部嘲绦蒹肭岐辫用耕持御棚螺荷降硎院赫僻㈣撕环断毁厅|姜醐撇断曲童不盼铷徽|姜腓乓郎分蔓甜!塞粉黻框糊怖洲材致殴种鲥歇龋萎：复会居可鞭烩黼阿躲捌徽媳解删敝脯髓一一一一一 东华大学硕士研究生毕业论文第四章三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳损伤分析ABCL．I警§＼≮～L’i、-●＼、～F蕊土：＼：：—人：、Ll卜oo．＼．01’＼、l一60％一7^O，▲80％IlNormalizedLifeSpan图4-3-_三_Jtl织T型粱复合材料冈渡降解曲线根据实验数据，选取应力水平为60％(N=31365圈)、70％(N=5942圈)以及80％烈=1125圈)中的部分循环，得到如图4．3的三维编织T型梁复合材料刚度降解曲线分析材料在三点弯曲疲劳循环载荷加载下内部刚度的变化过程．从图中可以看出随着循环载荷的加载进行，三维编织T型梁复合材料弹性模量逐渐下降，这主要是由于处材料在循环载荷作用下，其内部出现裂纹、界面脱粘以及纤维断裂等疲劳损伤而导致材料的弹性模量不断下降．从图中可以清楚的看到，对应于4—1中最大最小挠度曲线的挠度变化的三个阶段，材料整个刚度降解过程同样可以大致分为三个阶段(A、B和C)．A阶段为刚度降解的初始阶段，循环载荷开始加载到材料上，引起材料内部基体开裂，萌生裂纹，导致材料刚度出现将大幅度的下降，表现为弹性模量的骤降．B阶段为材料疲劳破坏的主要累积阶段，在这个阶段中，随着循环载荷的持续作用，初始阶段萌生的裂纹开始在材料中沿着纤维的轴向方向逐步扩展到纤维与基体之间接触的界面处，导致界面脱粘的产生，在B阶段最后一部分循环中裂纹开始沿纤维径向方向在纤维内部开始扩展，导致纤维逐渐出现破坏并不断积累，B阶段在整个三点弯曲疲劳过程中所占的时间最长，在这个阶段中材料内部会因为循环载荷的作用出现疲劳损伤并不断积累，材料的刚度也就随之逐渐下降，表现为材料弹性模量的平缓降低．C阶段是整个一∞艮。一协r、一f、—)o乏8c—Dc∞∞ 东华大学硕士研究生毕业论文第四章三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳损伤分析疲劳过程的最终阶段，即材料的完全破坏失效阶段，由于前面两个阶段的疲劳损伤的产生和积累，材料的刚度下降了很多，内部损伤已经达到所能承受的临界程度，随着循环载荷的继续加载，材料内部损伤区域出现严重的应力集中，裂纹开始沿纤维径向方向快速扩展，导致纤维与基体间界面的大面积脱粘，最终纤维在应力集中的作用下产生断裂，材料的刚度急剧下降，材料无法继续承受循环载荷作用，三维编织T型梁复合材料达到疲劳极限而发生疲劳失效．4．3三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳应变能分析任何材料在外力作用下都会产生形变，若形变不超过材料的某一限度，撤走外力后，形变会消失，这种形变为弹性形变，弹性形变不会消耗能量；若外力过大，将外力撤去后，其所引起的形变并不完全消失，剩余形变则为塑性形变，塑性形变会消耗能量，即材料的塑性应变能．塑性应变能是表征疲劳过程中材料损伤状态的一个重要参量，根据塑性应变能的变化规律可以综合了解材料应力及塑性应变的变化．低周疲劳每次循环所消耗的塑性应变能的估算是研究低周疲劳过程中所消耗塑性应变能的关键，由于材料的循环滞后能中极大部分为塑性应变能，如果忽略材料初始循环软化(或硬化)以及宏观裂纹扩展的影响，塑性应变能在低周疲劳实验中通常可以用循环滞后能即应力应变循环滞后圈所围成的面积来表示【351．如图4—4为三点弯曲疲劳实验中三维编织T型梁复合材料在60％(N=31365)、70％(N=5942)以及80％(N=1125)应力水平作用下几个选定应力循环的应变能变化曲线，由于在50％应力水平下材料没有发生疲劳失效，因此在这里不对50％应力水平下材料的应变能变化进行讨论．应变能变化曲线对于揭示三维编织T型梁复合材料在三点弯曲疲劳载荷作用下的疲劳累积破坏具有重要的意义．从图中可以清楚的看到，随着载荷循环的进行，材料所消耗的应变能随之上升．当载荷循环到0．95N(N为疲劳寿命)后，可以看到应变能的大幅度增加，如图中的三个特殊区域巩b以及c．结合前面所述的刚度降解曲线可以得到，应变能变化曲线同样可以分为三个阶段，并且与刚度降解曲线的三个阶段完全对应，a,b，c三个区域应变能的大幅增加同样是由于三维编织T型梁复合材料筋高部分纤维断裂，材料的发生极大的位移变化，消耗的应变能剧烈增加． 29 东华大学硕士研究生毕业论文第四章三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳损伤分析—-一60％+70％—▲一80％彳以／’乡夕／。一／。彭善≥y{．I．I．4．4疲劳破坏形态分析图4-5累积应变能曲线图4—6为三维编织T型梁复合材料在应力水平为50％(50万次载荷循环后未破坏)，60％(N=31365)，70％(N=5942)以及80％(N=1125)应力水平下弯曲疲劳破坏形态．通过破坏形态图可以分析得到，三维编织T型梁复合材料疲劳破坏主要集中在承受压辊直接作用的梁面中间位置以及该位置所对应的承受拉伸载荷作用的筋高中心位置．其中梁面位置的破坏模式主要为基体开裂以及基体与纤维之间界面的脱粘现象，梁面位置没有纤维的断裂发生；对应的筋高破坏模式则分别有基体开裂、基体与纤维界面脱粘以及纤维断裂三种，而纤维断裂是造成整个三维编织T型梁复合材料最终疲劳失效的主要因素．分析造成梁面与筋高破坏形态不同的原因为：在载荷作用下，梁面处承受载荷的纤维数量远远大于筋高处，筋高处每根纤维所承受的载荷远大于梁面处的单根纤维，当筋高部分纤维由于应力集中作用达到断裂破坏极限产生纤维断裂时，梁面处纤维并未同时达到断裂极限，因此梁面处没有纤维断裂现象．同时对60％，70％以及80％应力水平下材料筋高的破坏程度观察可以得出，筋高处纤维的断裂程度随应力水平增加而增大，说明高的应力水平会使纤维断裂的更彻底，材料所吸收的能量即应变能越大，这很好的解释了4．3中所述的材料在不同应力水平下达到最终破坏失效30xa-l∞c∞c一爪’J_协Do_弼一3￡300《 东华大学硕士研究生毕业论文第四章三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳损伤分析所需要的总能量不同的原因．(a1)7(a2)(b1)31 东华大学硕士研究生毕业论文第四章三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳损伤分析(c1)(c2)(d1)32 东华大学硕士研究生毕业论文第四章三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳损伤分析(d2)图¨不同应力水平下的破坏形态图．50％应力水平(50万次未失效)：(a1)背面图：(a2)侧面图．60％应力水平(N=31365)：(b1)背面图；(b2)侧面图．70％应力水平(N=5942)：(c1)背面图；(c2)侧面图．80％应力水平(N=1125)：(d1)背面图；(d2)侧面图．33 东华大学硕士研究生毕业论文第四章三维编织T型梁复合材料弯曲疲劳损伤分析 东华大学硕士研究生毕业论文第五章准静态三点弯曲实验有限元分析通过准静态三点弯曲实验的试样破坏结果分析得到，三维编织T型梁复合材料在三点弯曲载荷作用下其破坏模式主要集中在直接承受载荷的中心区域，表现为受压辊压缩载荷作用的底板处基体开裂且伴随界面脱粘，下表面受拉伸载荷的筋高处纤维断裂．为了更好地分析三维编织T型梁复合材料在弯曲载荷作用下各部位的应力分布情况，理解材料破坏形式产生的原因，对三维编织T型梁复合材料准静态三点弯曲进行了模拟计算．有限元分析模型的建立和计算是一个十分复杂的过程，但是其可以比较直观的得到材料内部应力分布等微观信息，对于材料理论设计有重大意义【36-40]．本次模拟分析的全过程在商用有限元程序包ABAQUS中完成．根据三维编织复合材料的细观结构建立复合材料单胞模型描述材料属性，在这里我们将单胞模型简化为重复循环的内单胞，每个单胞由树脂和四根沿不同方向的纱线组成，通过借鉴黄争鸣【41】以及陈利【42】关于复合材料力学性能的计算方法，根据基体和碳纤维的力学工程常数可计算得到单胞的刚度矩阵．通过基于FORTRAN语言编写的VUMAT用户子程序与ABAQUS交互作用计算三维编织T型梁复合材料准静态三点弯曲性能．5．1单胞模型在ABAQUS中建立如图5．1所示的实体模型，其尺寸与实际三维编织T型梁复合材料尺寸相同，模型中所有网格采用线性减缩积分单元C3D8R单元，并结合局部网格细化技术，在加载载荷区域以及支撑辊接触区域将网格细化以达到减少应力集中避免导致单元畸变的作用．有限元模型的建立基于以下基本假设：1、组成碳纤维的单丝平行且连续；2、树脂在碳纤维中完全浸润并分布均匀；3、忽略残余应力和残余应变，也不考虑环境的影响；4、单胞模型简化为重复循环的内单胞． 东华大学硕士研究生毕业论文第五章准静态三点弯曲实验有限元分析图5-1三维编织T型梁复合材料模型网格划分图5．2有限元分析基本设置5．2．1材料属性三维编织复合材料T型梁所使用纤维材料和基体材料分别为碳纤维(T70012K)和环氧树脂，材料参数分别见表5．1和表5．2．假设碳纤维束为横观各项同性材料，环氧树脂为各项同性材料，且两者均为弹塑性材料．实验所使用压辊及支撑辊均为钢材料，材料参数见表5．3．表5-l碳纤维柠撇表中材料参数下标为图5．2中碳纤维局部坐标系(1．2．3)中方向．图5-2碳纤维局部坐标系表5-2环氧树脂材料参数 东华大学硕士研究生毕业论文第五章准静态三点弯曲实验有限元分析表5—3钢辊的参数5．2．2接触、约束及分析步设置模型筋高与两个支承辊接触位置的接触条件设定为“绑定(Tiecontact)”，避免加载过程中模型与支撑辊发生滑移现象．模型梁面与压辊接触区域的接触条件设定为“面一面接触(surface．to．surfacecontact(Standard))”，由于压辊网格划分较粗，故选择压辊表面为主面(Mastersurface)，模型表面与压辊接触区域为从面(Slavesurface)．假设支承辊在实验前后不发生形变，可以认为在实验过程中其不发生旋转以及位移变化，因此将其设定为刚体(Rigidbody)且约束其全部自由度，即Ul=U2=U3=URl=U也=切R3=0．对于模型约束其l、2、3方向位移和2、3方向旋转自由度，即U1=U2=U3=UR2=UR3=0．分析步输出变量选择应力(Stresses)、应变(Strain)、位移(Displacement)、能量(Energy)、作用力(Forces)等．5．2．3网格划分有限元分析的核心即为将连续整体转化为离散单元，因此模型网格划分质量直接关系到计算结果的准确性．本课题采用C3D8R减缩积分单元进行网格划分．压辊和三维编织复合材料T型梁均采用计算精度相对较高的六面体单元．由于压辊在计算过程中仅作为载荷旌加单位，因此压辊的网格划分相对粗略以减少整体网格单元数量，保证结果准确的同时缩短计算时间．三维编织复合材料T型梁在加载载荷区域以及支撑辊接触区域将网格细化以达到减少应力集中的作用，从而避免单元在模拟计算过程中产生畸变．5．3有限元分析结果三维编织T型梁复合材料FEM模拟分析结果与实验结果对比如图5．3所示，FEM计算所用的VUMAT用户子程序中写入了基于最大应力准则和临界失效面积准则的破坏准则，通过单元消除的形式来表现材料破坏，通过对比可看出两者最终破坏形态具有很好的一致性． 东华大学硕士研究生毕业论文第五章准静态三点弯曲实验有限元分析图5-3F删计算结果与实验结果对比图5—4为三维编织T型梁复合材料FEM有限元计算应力分布云图，从图中可以看出三维编织复合材料T型梁承受最大应力的位置在受拉伸载荷的筋高处，压辊直接接触的受压缩载荷的底板应力值相对较小，因此造成了材料在准静态三点弯曲实验中最终破坏形式表现为筋高处纤维断裂，底板处则主要是基体开裂及基体与纤维间界面脱粘的现象．图5-4F囹有限元计算应力云图 东华大学硕士研究生毕业论文第五章准静态三点弯曲实验有限元分析图5—5为三维编织T型梁复合材料有限元计算结果与实验实际载荷挠度曲线的比较．由图可以看出，FEM模拟结果与实验结果具有较好的一致性．同时模拟曲线与实验曲线有一定差别，这是因为在建立模型之前，我们假设组成纱线的单丝连续且相互平行，树脂完全浸润纱线且在纱线中分布均匀，三维编织复合材料成型前后纤维及树脂力学性能不变且预成型体形状结构不变，忽略复合材料中残余应力、残余应变影响以及实验环境影响，同时将单胞模型简化为了重复循环的内单胞，然而实际中与我们假设并不相同．z3000勺∞o．j20001000O●TeSt／乡媚FEM／／．么⋯。夕。7⋯⋯+’∥．／j．∥j0246810Displacement／mm图5_5F瞳模拟与实验载荷挠度曲线对比根据三维编织T型梁复合材料细观结构建立的单胞模型通过FORTRAN语言编写的VUMAT用户子程序通过与ABAQUS商用有限元程序包交互作用进行有限元模拟，所得到的材料破坏形态以及材料载荷挠度曲线与实际实验结果具有比较好的一致性，说明三维编织复合材料单胞建立的正确性和编写用户子程序可以在准静态三点弯曲实验中有效使用，可以作为进一步分析研究三维编织复合材料的工具．39 东华大学硕士研究生毕业论文第五章准静态三点弯曲实验有限元分析 东华大学硕士研究生毕业论文第六章结论与展望6．1结论第六章结论与展望本课题对三点弯曲交变载荷作用下三维编织复合材料T型梁的疲劳性能进行实验研究．通过准静态三点弯曲实验确定材料的所能承受的最大弯曲应力并据此确定三点弯曲疲劳实验使用的涵盖高、中、低三个层次的应力水平．通过对疲劳实验所得数据进行分析，得到S-N曲线，载荷挠度曲线，最大最小挠度曲线，刚度降解曲线以及应变能曲线对材料弯曲疲劳性能进行理论研究，同时通过材料最终疲劳破坏形态对材料弯曲疲劳破坏过程、裂纹萌生和扩展以及纤维与基体的破坏机制进行直观分析．利用有限元软件结合用户子程序对准静态三点弯曲实验进行模拟计算，分析实验过程中材料内部应力分布状况，探寻材料最终破坏状态的产生原因．通过上述研究，得到以下结论：(1)本课题中弯曲疲劳实验选择了涵盖高、中、低三个层面的应力水平，通过所得S-N曲线分析得到，随着所施加应力水平的降低，三维编织复合材料T型梁所能承受的载荷循环次数增多．在80％、70％及60％应力水平作用下，材料均在相对较短的时间内即发生失效破坏，说明该材料在工程中应尽量避免在其最大弯曲应力高、中两个层面的应力水平环境下长期使用．在50％应力水平作用下，材料承受疲劳载荷循环次数超过50万次后仅出现轻微基体开裂而未发生纤维断裂，说明该材料在50％以下的低应力水平环境下可以长期安全使用，即三维编织复合材料T型梁疲劳寿命为其最大弯曲应力的50％应力水平．(2)通过结合弯曲疲劳实验中三维编织复合材料T型梁载荷位移曲线、刚度降解曲线等曲线分析得到，材料疲劳失效过程大致分为三个阶段：第一阶段，在载荷开始加载后较短时间内，基体萌生裂纹，材料整体力学性能出现较明显下降：第二阶段，裂纹在材料内部沿纤维轴向不断扩展，并造成纤维与基体间界面脱粘，这个过程持续的时间比较长，材料力学性能平缓下降；第三阶段，裂纹开始在纤维内部沿径向扩展，在极短时间内造成纤维断裂，材料力学性能骤降，材料整体失效．(3)三维编织T型梁复合材料在三点弯曲疲劳过程中特定循环应变能曲线以及整个过程累积应变能曲线表明：疲劳损伤积累是造成材料最终疲劳失效的根本原因，而筋高处纤维在应力集中作用下发生纤维断裂是导致材料最终疲劳失效的直接原因．(4)通过最终破坏形态可以看出，本课题中三维编织复合材料T型梁三种主要的疲劳损伤为基体开裂、纤维与基体界面脱粘以及纤维断裂．承受压辊直接作用的梁面中间部分的破坏形式主要为基体开裂和基体与树脂间界面脱粘，相对4】 东华大学硕士研究生毕业论文第六章结论与展望应的筋高中间位置则同时出现基体开裂、基体与树脂间界面脱粘以及纤维断裂三种破坏模式，并且筋高处纤维断裂程度随应力水平增大而增加．(5)对比准静态三点弯曲实验的实验结果及有限元分析结果得到，三维编织复合材料T型梁在承受三点弯曲载荷时，应力集中分布在压辊直接接触的梁面中心区域及相对应的筋高中心区域，其中梁面中心区域主要承受压缩载荷，筋高中心区域主要承受拉伸载荷，并且由应力云图可以明显看出筋高中心区域所受应力值高于梁面中心区域．结合试样破坏形态，筋高中心区域应力集中造成纤维断裂，最终直接导致材料失效．另外，有限元模拟得到的材料破坏形态及载荷位移曲线与实验结果间吻合度好，证明本课题建立的三维编织复合材料T型梁单胞模型及编写的用户子程序VUMAT准确有效，可以用于编织复合材料力学性能分析，并且对于针对性增强材料关键破坏区域有重要意义．6．2未来及展望三维编织复合材料的疲劳性能研究是一个复杂的研究领域，需要大量而系统的体系研究，本课题只是对三维编织T型梁复合材料三点弯曲疲劳进行了实验研究，尚有许多方面可以以此为基础继续进行．(1)本课题实验研究环境为普通实验室环境，由于复合材料在实际使用过程中通常会面临高温、冰冻等各种特殊环境，而这些环境因素对复合材料使用寿命具有比较大的影响，因此若能对三维编织复合材料T型梁进行特殊环境下的性能研究，将对其进入工程应用领域有比较重大意义．可以考虑在高温或者低温环境下对三维编织T型梁复合材料三点弯曲疲劳性能进行实验研究，探索特殊环境对三维编织T型梁复合材料的具体影响．(2)本课题利用有限元软件通过构建材料单胞模型对三维编织复合材料T型梁准静态三点弯曲进行了模拟计算，但是所使用的单胞模型将材料单胞简化为仅有内单胞而忽略了面单胞和角单胞的影响，如果能建立同时考虑三种单胞的单胞模型，将能提高三维编织复合材料T型梁力学性能预测精确性．同时，未来可以进一步用单胞模型进行三点弯曲疲劳性能计算．(3)单胞模型在模拟计算过程中无法分析材料基体开裂、界面脱粘及纤维断裂三种损伤模式，若能建立材料细观模型进行模拟计算，得到与实验相符的结果，将更加有助于材料性能分析及工艺设计，提高三维编织复合材料的工程应用前景．42 东华大学硕士研究生毕业论文致谢值此毕业论文完成之际，对导师孙宝忠教授致以最诚挚的感谢．作为孙老师的弟子跟随老师学习的2年多时间来，我深感受益匪浅．导师以每天辛勤工作的身影使我明白想要有所成就必须付出汗水；导师以深厚而渊博的知识储备激励我不断学习新的知识；导师以严谨的治学态度教导我对工作学习必须尽心尽责：导师以积极乐观的生活态度指导我满怀信心和希望的生活每一天．在科研过程中，导师悉心的确定好每一步的内容和时间，不断地指引我更好的完成每一个步骤，在实验出现困难时，鼓励并教导我思考问题的根本所在并亲身指导帮助我克服困难，课题的每一处都充斥着导师的辛勤身影和谆谆教诲．另外，导师在闲暇时间还会给我们讲述他从前的往事以及他所知道的趣事，通过这些故事告诉我们各种为人处事的方式及道理，导师不仅是我科研上的老师，更是我的精神导师，导师对我的教导将是我这一生的巨大财富，导师的身影将是我以后在职业生涯中的追赶目标及永恒的旗帜．在此，再次向我的导师孙宝忠教授表示最衷心的感谢．感谢顾伯洪教授，在科研的汪洋中，我们课题组是其中的一条小船，而顾老师就是我们的船长，他以丰富的专业知识引导整个课题组的前进方向并保证每个组员都能安全及时的到达目的地．顾老师对我们的要求非常严格，这种充满责任心的鞭策让我们时时刻刻将自己的发条上紧，以最好的状态完成每一项课题工作；顾老师在生活上对我们十分关心，每当天气变化都会及时提醒我们注意身体健康．顾老师独特的人格魅力，丰富的专业知识，敏捷的思维能力，都深深地感染着我们，我们在课题组的每一天的成长都包含了顾老师的关心和指导，他的处世方式以及对工作的严谨态度将是我一生的榜样．在此，向顾伯洪教授致以诚挚的感谢。感谢金利民、贾西文、张岩、马丕波、栾坤、张发、陆振乾、吴利伟、胡杭军、刘瑞强等师兄以及王萍、侯仰青、方芳、王盛楠、侯利民、潘虹、姜丽丽、姚瑶等师姐在科研方面的帮助指导以及在生活方面的爱护关怀，师兄师姐们对科研的认真态度是我不断学习的动力与目标．感谢同届的刘坤、张威、潘忠祥、杨格、汪金花、万玉敏、景晓颖、于丽娟及严静，在我的实验过程中提供了极大的帮助，我们一起学习、讨论的经历将是我一生最美好的记忆．感谢欧阳屹伟、王海楼、蒋欢、方芳、周海丽、武鲜艳以及李嫒媛几位师弟师妹，由于我的实验材料准备需要大量人工和时间，师弟师妹们积极无私的帮助使我得以高效的完成材料的准备工作，十分感谢大家．感谢我的父母，你们一直坚定地支持着我的各种决定，在我的人生路上不断的鼓励我前行，当我遇到困难时给予我无尽的关怀；感谢我的姐姐，在我离家在外的时候你在家照顾父母，在生活中给予我关怀鼓励．你们是我最坚实的后盾，是我一生前行最大的动力．43 东华大学硕士研究生毕业论文致谢感谢东华大学硕士研究生创新资助项目(EG2013004)对我课题的资助，使我在课题研究过程中能够有足够的资金支持．最后感谢在我研究生期间给予我帮助的所有老师、师兄师姐、同学以及朋友 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