三维编织复合材料力学行为及疲劳积累损伤研究

随着三维多向编织复合材料在航空航天主承力结构上的应用，迫切需要建立理论和数值方法分析其疲劳破坏机理，为该类材料的疲劳设计奠定基础，提升三维多向编织复合材料结构的利用率以及航空航天飞行器的可靠性能。本项目旨在从力学角度出发，建立三维多向编织复合材料的宏细观材料性能的关联模型，利用细观组分材料的性能表征任意编织角的三维编织复合材料的疲劳积累损伤过程，分析三维编织复合材料的疲劳破坏机理，研究材料细观编织结构参数（如编织角和纤维体积分数等）对材料宏观疲劳性能的影响规律，由此促进材料设计和材料研究。另一方面，针对三维多向编织复合材料目前只开展部分简单拉伸疲劳试验分析的研究现状，利用细观积累疲劳损伤方法对多种应力比和加载频率的三维编织复合材料疲劳性能进行预报，得到该材料的疲劳寿命，通过该方法实现材料宏细观"模拟实验"技术，建立三维编织复合材料结构设计和分析中急需的疲劳强度分析方法。

本项目针对具有复杂的细观几何结构编织复合材料，从编织复合材料细观建模，组分材料性能反演、力学性能分析到疲劳损伤演化进行了实验、理论分析和数值模拟研究。利用voxel网格技术结合应力平均技术对编织复合材料进行了快速的细观建模和力学性能分析，解决了由于编织复合材料细观结构复杂只能理想假设纤维束截面而建立理想的代表体积单胞模型，避免了传统有限元分析具有复杂几何形状的非均匀材料单元划分的困难，很好地预报了编织复合材料有效模量和强度，通过该方法为进一步从实时细观结构到快速有限元建模分析奠定了基础。利用径向基函数神经网络方法结合细观有限元模型及编织复合材料宏观性能试验反演组分材料性能，为进一步的损伤失效分析奠定材料模型基础。开展了三维编织复合材料静力和疲劳性能试验，分析了控制复合材料力学性能的主要破坏模式和机理。通过细观组分材料疲劳损伤演化模型结合细观代表体积单胞模型，对三维编织复合材料进行了拉拉疲劳积累损伤演化分析，初步预报了编织复合材料在拉拉疲劳载荷作用下的疲劳寿命。结合离散内聚力模型和Paris准则建立了疲劳界面单元模型，初步验证了模型的正确性，为进一步应用到三维编织复合材料疲劳模型中奠定了基础。这些研究为进一步更系统深入研究复杂的三维编织复合材料疲劳破坏行为奠定了良好的基础。