四步法三维编织复合材料弯曲疲劳失效多尺度损伤模型

The excellent structural stability and delamination resistance of four-step three-dimensional braided composites make them the promising material in engineering applications. However, they are inevitably subjected to fatigue damage during usage, leading to shorter service life and potential safety risk. Therefore, it is of great importance to investigate the fatigue property and failure evolution of four-step three-dimensional braided composite. In this study, firstly, the quasi-static and fatigue testing of four-step three-dimensional braided composites are conducted under bend loading by experiments. On the basis of experiments, a multi-scale fatigue model including fiber (Micro-scale) – yarn (Meso-scale) – fabric (Macro-scale) is established to deeply investigate the fatigue evolution and failure mechanism. Different from the analysis in individual scale, by analyzing the fatigue failure from micro-scale to macro-scale, the structural effect under different scales can be further revealed, especially for the fiber structure. This study will provide theoretical foundation for the fatigue performance optimization of four-step three-dimensional braided composite.

四步法三维编织复合材料不仅整体结构稳定、抗层间剪切性能优良，又具有极好的结构可设计性，在工程领域有极大的应用潜力。但任何结构件在使用过程中均会受到疲劳损伤的影响，为避免疲劳破坏所产生的安全隐患，延长使用寿命，对四步法三维编织复合材料疲劳性能及其损伤演化过程的研究至关重要。本项目将建立一种从纤维（细观）—纱线（中观）—试样（宏观）的多尺度弯曲疲劳损伤模型；开展四步法三维编织复合材料在弯曲加载条件下的准静态/疲劳性能测试；在实验测试的基础上，通过跨层次多尺度模型对四步法三维编织复合材料弯曲疲劳循环加载下的力学性能、结构效应以及损伤机理进行有限元分析，用于弥补单一尺度下有限元模型分析的不足，进一步揭示不同尺度下（尤其是纤维层面）的结构效应以及损伤机理，为四步法三维编织复合材料弯曲疲劳性能的优化提供理论依据。

四步法三维编织复合材料不仅整体结构稳定、抗层间剪切性能优良，又具有极好的结构可设计性，在工程领域有极大的应用潜力。为避免疲劳破坏所产生的安全隐患，本项目建立一系列纤维（细观）—纱线（中观）—试样（宏观）的多尺度疲劳损伤模型，对其疲劳性能及其损伤演化过程进行研究，用以延长四步法三维编织复合材料的使用寿命。主要工作包括：设计不同材料及结构（四向、五向及混杂）的四步法三维编织复合材料并进行制备；开展四步法三维编织复合材料准静态/疲劳性能测试；在实验测试的基础上；通过跨层次多尺度模型对四步法三维编织复合材料循环加载下的力学性能、结构效应以及损伤机理进行有限元分析，为四步法三维编织复合材料疲劳性能的优化提供理论依据。主要研究结论包括：四步法三维编织复合材料四向和五向结构拉伸性能均表现出线弹性行为，失效行为脆性失效，其中五向编织结构由于在轴向方向存在增强纤维，在拉伸模量及拉伸最大强力方面性能更高，四向编织结构则具有更大的拉伸变形量；两种结构失效形态也存在较大差异，从断口可以看到，四向编织结构呈锯齿状而五向编织结构则较为整齐，同时四向编织结构也出现较大斜向裂纹；混杂结构编织复合材料力学性能随着芳纶的加入，材料从脆性失效行为转变成韧性失效行为，主要包括纤维断裂、树脂开裂和界面脱粘；在四个应力水平下，四步法编织复合材料疲劳加载圈数分别为，5347，16237、57390和110661；通过有限元分析可以看出，对比载荷-挠度曲线和刚度降解曲线，可以发现三维编织复合材料在疲劳加载过程中会出现明显的“三阶段”形态，相比较静态加载后失效形貌，疲劳载荷下的破坏形态更加严重，损伤区域也更大，纱线断裂和树脂开裂现象也更加明显。