三维编织复合材料冲击剪切热力耦合破坏多尺度分析

Three-dimensional (3-D) braided composites have been attracted significant attention in aeronautics, industries and sports applications due to the outstanding net-shape formability, as well as their unique mechanical properties such as lightweight-high strength and excellent impact resistance. However, the braided composites usually occur to distinct damage propagation path and complicated local shear failure during impact process. This project focus on the punch shear responses of 3-D braided composites, investigating the punch shear deformation and complex failure mechanisms by experimental and finite element methods. Both high-speed photography and X-ray micro-computed tomography are used to analyze the punch shear process and damage characteristics of 3-D braided composites. Furthermore, the thermal-mechanical coupled meso-structural model is established to simulate the punch shear failure based on strain-rate and adiabatic temperature rise effects. Different braiding parameters are taken into account to study the influences of braid structures on the composite damages. This project aims to pay close attention to micro-structure features and catch the thermal-mechanical coupled effect through experimental and finite element calculations. To reveal the local large deformation and thermal-mechanical coupled failure mechanism in the punch shear response of braided composites. The toughening design scheme in critical structural area is proposed. This work can provide reliable theoretical foundation for the structure optimization and practical applications of 3-D braided composites.

三维编织复合材料具有一体成型复杂结构件的独特优势，具有轻质高强、抗冲击等优异力学性能，广泛应用于航空航天、工业交通和体育等冲击防护领域。复合材料在冲击过程中会形成独特损伤扩展路径和复杂局域剪切破坏。本项目以三维编织复合材料冲击剪切性能为研究对象，采用试验和有限元模拟相结合的方法研究冲击剪切变形和复杂破坏机制。试验研究借助高速摄影和显微CT断层扫描技术手段，分析编织复合材料冲击剪切过程和破坏特征；从纤维/树脂层面出发，构建综合考虑应变率效应和绝热温升效应的热力耦合细观结构有限元模型，计算冲击破坏热力耦合；对比不同编织参数复合材料冲击剪切响应，研究复合材料冲击剪切破坏与编织结构关系。本项目综合试验研究和有限元分析，关注微观结构特征，发现冲击剪切热力耦合效应，揭示编织复合材料冲击剪切局域大变形和热力耦合复杂破坏机理，提出编织结构关键区域增韧设计方案，为编织复合材料结构优化设计和应用奠定理论基础。

三维编织复合材料具有一体成型复杂结构的独特优势，广泛应用于航空航天、工业交通和体育运动等冲击防护领域。复合材料在真实服役过程中的冲击损伤多为局部冲击破坏模式，且剪切失效是最关键的失效模式之一。三维编织结构特征复杂，在冲击过程会形成独特的损伤扩展路径和复杂的局域剪切破坏，因此揭示三维编织复合材料复杂失效机制具有重要意义。本项目基于真实三维编织复合材料结构特征与冲击损伤过程，构建综合考虑应变率效应和绝热温升效应的全尺寸细观结构热力耦合有限元模型，关注冲击剪切变形、损伤路径和分布等微观特征，结合宏观试验研究结果和微观有限元模拟结果，揭示三维编织复合材料冲击剪切响应和热力耦合复杂失效机制，并对关键编织结构参数（编织角和试件厚度）进行研究和分析，揭示冲击剪切性能与编织结构关系。研究表明：三维编织复合材料冲剪切性能具有显著的应变率效应和厚度效应，随着应变率和试件厚度的增加，复合材料刚度和最大应力增加，而断裂应变下降。树脂在冲击瞬间产生瞬态热，加剧复合材料的破坏，且瞬态热在厚度方向的传递速度快于长度方向；复合材料热力学性能受编织角和应变率效应的影响，编织角越大，复合材料失效应力越大，失效应变越小，而剪切带平均温度越低，复合材料的抗冲击损伤能力越强；界面损伤是编织复合材料重要的破坏模式之一，对复合材料整体力学性能具有显著影响。本研究结果可用于三维编织复合材料结构优化设计，为三维编织复合材料的工程化应用提供指导意见。本文建立的全尺寸细观结构热力耦合有限元模型，对热力耦合复杂失效机制的研究提供有效途径和方法，对其他纺织结构复合材料动态力学性能研究和结构优化设计具有重要意义和价值。