弹道冲击载荷下三维机织复合材料渐进损伤和失效研究

The numerical researches of the ballistic impact problem of three-Dimensional (3D) woven composites are significant, which focus on studying the damage and failure process in mesoscale nowadays. But the influence of the complex failure modes of the fiber yarns in microscopic scale is ignored. In this program, we aim to establish a progressive damage model for the fiber yarn in microscopic scale considering the strain rate effect, in which the constitutive relations and failure modes of the fiber, matrix and interface of the fiber yarn are studied detailedly. On the basis of the result of the damage model of the fiber yarns in microscopic scale, the interaction, constitutive relations and failure modes of the fiber yarn, matrix and interface is studied. As a result, the progressive damage model for 3D woven composites in mesoscale will be built. The damage evolution and failure process of 3D woven composites under ballistic impact loading will be predicted by our damage model in which the constitutive relations and failure modes are expressed accurately. We hope the characterization methods of the mechanical properties of 3D woven composites will be enhanced.

目前三维机织复合材料弹道冲击问题的理论数值研究主要集中在从细观尺度(Mesoscale)去解释其损伤机理和破坏过程，忽略了微观尺度(Microscopic scale)下纤维束内部复杂破坏模式对整体破坏过程的影响。本课题力图细致的研究微观尺度下纤维束内部纤维、基体和界面的本构关系和破坏模式以及三者之间的相互影响，并考虑应变率效应，从而建立微观尺度下的纤维束渐进损伤模型。基于纤维束微观渐进损伤模型输出结果，结合细观尺度下基体和界面的的本构关系和破坏模式，纤维束、基体和界面的相互影响作用，并考虑应变率效应，进一步发展细观尺度的三维机织复合材料弹道冲击渐进损伤模型。进而可以更为合理准确的把握三维机织复合材料各组分材料的本构关系和破坏模式，来计算三维机织复合材料弹道冲击这样的宏观失效破坏问题，最终提高三维机织复合材料力学性能的表征方法。

三维机织复合材料是一种纤维增强复合材料，广泛应用于航空航天、汽车、体育器械、船舶等领域，其密度小、力学性能优异，特别适用于航空航天方面各类飞行器。在应用于各类飞行器时，意外冲击是一种重要危险因素，例如鸟撞、冰雹撞击。本项目针对这类事故背景，研究了弹道冲击载荷下三维机织复合材料的力学响应行为，分析了其主要破坏模式及对对整体破坏过程的影响。以三维碳纤维/环氧树脂机织复合材料作为研究对象，从细微观结构特征和力学性能出发，分别建立了纤维束含损伤本构模型和基体含损伤本构模型，在模型中引入了应变率效率，考虑了纤维拉断、纤维间开裂、基体塑性变形、基体断裂等主要特征，最终形成了一种可预测冲击下三维机织复合材料力学行为的细观渐进损伤模型。为解决宏观尺度中应用细观模型的计算量问题，采用直接数值模拟方法，即在几何建模时不考虑材料组分区分，而在计算中区分纤维束和基体的属性，实现了细观渐进损伤模型在宏观计算中的应用。针对一种碳纤维/环氧树脂三维机织复合材料，分别开展了弹道冲击载荷下三维机织复合材料破坏响应的实验和计算研究，计算结果与实验结果吻合较好，并认识了纤维断裂、纤维间开裂、基体塑性变形在整体响应的贡献。本项目为三维机织复合材料力学性能表征和评价提供一种理论和数值计算途径。