三维编织复合材料的冲击拉伸与破坏的多尺度分析

三维编织复合材料的高断裂韧性和冲击损伤容限使其在冲击加载下具有其它复合材料不可替代的特殊优势。但多重破坏机制使试件的强度难以预测，复合材料力学性质的可设计性使三维编织复合材料强度有较大的设计空间。本项目将建立从纤维、纱线、单胞到复合材料的多尺度细观结构模型；用Hopkinson拉杆开展系列冲击拉伸，研究不同参数三维编织复合材料冲击变形过程，应力应变曲线和比吸收能；编制计及动态加载应变率效应的用户材料子程序，结合有限元程序包ABAQUS/Explicit 计算静态、冲击加载条件下三维编织复合材料的破坏和变形，预测试件静、冲击加载下的应力应变曲线、强度和能量吸收，揭示三维编织复合材料冲击破坏的机制，形成可直接用于三维编织复合材料工业化制造的强度、比吸收能设计方法。单胞参数的可变性将使该设计方法可以计算不同细观结构和外形特征的四步法三维编织复合材料拉伸强度和比吸收能，用于试件强度优化设计。

三维编织复合材料的高断裂韧性和冲击损伤容限使其在冲击加载下具有其它复合材料不可替代的特殊优势。但多重破坏机制使试件的强度难以预测，复合材料力学性质的可设计性使三维编织复合材料强度有较大的设计空间。本项目采用分离式霍普金森压杆测试了不同应变率下三维编织复合材料冲击拉伸和横向冲击动态响应。通过对比三维编织复合材料在不同冲击加载模式和不同应变率下力学响应特征和破坏形态分析其损伤机制和失效机理。建立了从纤维、纱线、单胞到复合材料的多尺度细观结构模型，推导其本构方程。引入最大应力准则和临界失效面积准则并编写用户自定义材料子程序VUMAT。结合有限元程序包ABAQUS/Explicit， 计算了静态、冲击加载条件下三维编织复合材料的破坏和变形，预测了试件静、冲击加载下的应力应变曲线、强度和能量吸收，揭示了三维编织复合材料冲击破坏的机制，形成可直接用于三维编织复合材料工业化制造的强度、比吸收能设计方法。该设计方法可以计算不同细观结构和外形特征的四步法三维编织复合材料拉伸强度和比吸收能，用于试件强度优化设计，并把相关研究内容扩展到了其它纺织结构复合材料。基于该项目研究结果，由科学出版社出版专著1本，发表论文被SCI收录31篇，培养11名研究生。