三维编织复合材料圆管高低温冲击热力耦合损伤多尺度分析

Composites reinforced with three dimensional (3D) braided textiles exhibit high structural stability and excellent damage tolerance thanks to yarn interlacing in 3D space. With their high stiffness-to-weight, strength-to-weight ratios, and specific energy absorption, 3D braided composites tubes are attractive for the design and application of impact resistant textile structure composites. This project will define and characterize 3D braided composite circular tube in the micro, mesoscopic and continuous media level. The thermal/mechanical/strain rate coupling complex constitutive relations and failure criteria are established at all scales. Finally, the impact compression process of 3D braided composite tubes under different temperature is simulated by multiscale finite element method. The temperature distribution and damage details of fiber bundle, fiber/matrix interface and matrix are reconstructed, and the adiabatic temperature rise, crack distribution and propagation path will also be analyzed. Combined with a series of the image obtained with computed tomography (CT) scan and high-speed photography in impact testing, the thermal compression coupling mechanism and energy absorption mechanism will be revealed. The structural features and design indexes for improving the impact damage tolerance are described. In view of the current domestic research and development requirements for braided composite as military structural parts, the research results will promote the wide range of applications of 3D braided composite structures in aerospace, automobile and other impact protection areas.

三维编织复合材料圆管增强体中纤维束在三维空间中相互交织形成一个整体结构，冲击损伤容限高、比强度高、比模量大，能量吸收能力高，在抗冲击纺织结构复合材料设计及应用方面具有优势。本项目将在微观层面、细观层面、连续介质层面系统表征三维编织复合材料圆管，建立各级热/力/应变率耦合复杂本构关系和破坏准则，通过多尺度有限元模拟三维编织复合材料圆管在高/低温下的高速冲击压缩过程，再现编织复合材料圆管细观模型中纤维束、纤维束/基体界面、基体的温度分布和损伤细节，剖析绝热温升和裂纹分布及扩展路径，结合准静态冲击加载测试高速摄影、CT断层扫描图像信息，揭示编织复合材料圆管冲击压缩多尺度热力耦合损伤机理和吸能机制，阐述提高其抗冲击损伤容限的结构特征和设计指标。鉴于目前国内对编织复合材料军工结构件的研发需求，研究成果将促进以中空圆形编织结构为代表的三维编织复合材料结构件在航空航天、汽车等冲击防护领域的广泛应用。

三维编织复合材料圆管具有整体编织、一体成型、性能可设计、比强度高、比模量大、优良的抗冲击损伤容限等优点，能够满足复杂外形工程结构件设计需求，在高速冲击及极端温度场下，其热力耦合失效机理较为复杂。项目以三维编织复合材料圆管抗冲击防护为驱动，在多尺度层次上正确表征材料增强结构与动态加载下的力学行为，揭示应变率、温度、编织结构及缺陷对三维编织复合材料圆管冲击压缩破坏的耦合作用机制，有效预测三维编织复合材料圆管冲击压缩性质。主要研究内容：（1）编织复合材料圆管多尺度拓扑结构模型和缺陷域分析模型；（2）各尺度结构模型冲击压缩响应热力耦合本构关系；（3）编织复合材料圆管冲击压缩热力耦合多尺度有限元计算；（4）编织复合材料圆管结构设计及制备；（5）不同温度场和加载条件下编织复合材料圆管压缩测试和损伤表征；(6) 缺陷对编织复合材料圆管冲击压缩性质影响机制。开展的主要工作是：（1）用实验表征和多尺度有限元方法研究编织复合材料圆管在准静态和高应变率压缩下的热力耦合损伤机理，探索编织复合材料圆管冲击压缩性质的应变率效应、结构效应、温度效应和缺陷效应；（2）采用高速摄影记录冲击变形过程，结合计算机断层扫描技术和有限元方法表征编织复合材料圆管冲击加载下渐进破坏、内部损伤与环境温度、细观结构间关系；（3）通过建立计及应变率效应与含缺陷分布的复合材料冲击压缩分析模型，再现冲击过程中缺陷域周围各组分材料应力、应变场分布，提高有限元模型预测复合材料破坏机理的准确性。我们发现：（1）编织复合材料圆管在多尺度结构层面的冲击加载破坏应变率效应；（2）编织复合材料圆管动静态轴向压缩失效结构效应和温度效应;（3）冲击加载下编织复合材料圆管各组分材料瞬态温升分布和损伤细节；（4）缺陷诱致编织复合材料圆管冲击压缩破坏损伤机理。项目研究工作可应用于特殊温度场下冲击防护及阻尼吸能复合材料材料结构设计和性能优化，为三维编织复合材料力学性能预测及可靠性设计提供指导。