基于缠绕工艺力学的纤维缠绕复合材料损伤机理研究

Damage mechanism of filament wound composites is a challenging fundamental subject, which is a key to structural design and service performance evaluation of filament wound composite structures in aviation and aerospace engineering. This project will be studied by theoretical analysis, numerical simulation in conjunction with experiment test. Based on filament wound process analysis, a resin-fiber compaction model of filament wound composite is established and the initial defects are characterized. The extended multi-scale finite element method (EMsFEM) is employed to evaluate damage mechanism of filament-wound composite containing the initial defects due to manufacturing process. The EMsFEM model of filament wound composite is experimentally verified by the lock-in infrared thermography technique. Finally, a parametric analysis is conducted to study the damage evolution mechanisms of filament wound composite containing the initial defects due to manufacturing process. The achievement in this project will contribute to trans-scale damage analysis theory and method for fiber reinforced composites. Moreover, it is helpful to analysis, design, safety evaluation, life estimation and corresponding national standard of filament wound structures for Chinese aviation and aerospace engineering.

纤维缠绕复合材料损伤机理研究是一项具有挑战性的基础研究课题，对于航空、航天工程中纤维缠绕结构设计与使役性能评估极其重要。本研究项目采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，首先基于缠绕工艺力学的理论与试验分析，建立纤维缠绕复合材料的树脂纤维压实模型并表征其初始缺陷特征，然后构造适于分析含有制造工艺初始缺陷的纤维缠绕复合材料损伤演化机理的扩展多尺度有限元模型，并基于锁相红外热成像技术，对纤维缠绕复合材料损伤演化过程进行试验研究，以验证有限元模型；最后，利用所建立的扩展多尺度有限元模型，深入研究含有制造工艺初始缺陷的纤维缠绕复合材料的损伤演化机制和规律。本项目研究成果不仅对发展复合材料跨尺度损伤分析理论和方法具有一定的科学意义，而且对我国航空、航天纤维缠绕结构的分析、设计、安全度评估、寿命预测及相应国家标准的制定具有直接的指导价值。

纤维缠绕复合材料损伤机理研究是一项具有挑战性的基础研究课题，对于航空、航天工程中纤维缠绕结构的设计与使役性能评估极其重要。本项目研究采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，首先基于缠绕工艺力学分析，建立了缠绕复合材料固化成型过程中树脂流动/纤维密实模型。考虑纤维缠绕材料在固化过程中的固化度、树脂粘度、渗透率等参数随固化时间的变化，实现了缠绕成型过程中的纤维密实度的预测。然后，基于工艺过程数值模拟得的纤维缠绕复合材料体分比，构造六边形单胞模型与缠绕单胞模型，建立了复合材料结构的宏细观一体化分析方法。对机械和温度载荷下复合材料层合板进行损伤分析。之后，基于扩展多尺度有限元方法的理论框架，发展出适用于纤维增强复合材料高效分析的扩展多尺度有限元计算方法。最后，开展了纤维缠绕复合材料损伤演化试验。研究不同工艺参数如缠绕铺层角度等工艺参数对复合材料结构损伤演化与承载性能的影响规律。本项目研究成果不仅对发展复合材料跨尺度损伤分析理论和方法具有一定的科学意义，而且对我国航空、航天纤维缠绕结构的分析、设计、安全度评估、寿命预测及相应国家标准的制定具有直接的指导价值。