关键词:
三维编织复合材料
减纱
低速冲击
Micro-CT
损伤量化
摘要:
三维编织复合材料具有优异的力学性能、可设计性和近净成型能力,是航空航天重大装备抗冲击关键部件的理想候选材料。通常,诸如航天发动机喷管、航空发动机燃烧室、航天飞机天线罩等构件均为锥形回转体,需通过加纱或减纱技术实现。然而,加/减纱易改变局部纤维交织结构,在冲击载荷下易形成应力集中,进而诱发损伤,且造成材料-结构性能匹配困难,严重威胁使用安全性。目前,现有研究主要集中于具有周期性胞元结构的“材料件”,有关三维异型编织复合材料的理论研究远滞后于工程应用。因此,本文以三维编织锥形回转体为牵引,提炼典型减纱特征,采用试验和数值计算相结合的方法,着重开展冲击载荷下力学特性和损伤机制研究,旨在明确减纱结构对低速冲击力学行为的影响规律,以期提升三维编织复合材料异型构件的结构效率及可靠性。主要研究内容包括:(1)以三维五向编织结构为研究对象,选用T700-12K碳纤维,通过调控编织单元数量,采用四步工艺法实现减纱。设计并织造了20°、30°和40°三种编织角的含减纱及不含减纱三维五向编织碳纤维预制件。在此基础上,选用E-51环氧树脂,采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了不同参数的三维五向编织碳纤维/环氧树脂复合材料。(2)采用INSTRON落锤式低速冲击装置,选用30J、65J和100J冲击能量,研究了20°、30°和40°编织角的含减纱及不含减纱三维五向编织复合材料的冲击力学性能,重点分析了编织角、减纱结构及冲击能量对三维五向编织复合材料力学特性的影响规律。结果表明:减纱点的引入会导致复合材料峰值载荷和响应时间显著下降。同时,相比于20°和30°编织角试样,40°编织角试样展示了更快的响应速度(1.148 ms)、更小的峰值载荷(9.863 k N)和变形值(6.925 mm)。相比于30 J和100 J冲击能量,30°试样在65J冲击能量下具有最大的回弹动能(21.53 J)和最高的峰值载荷(12.84 k N)。(3)结合Micro-CT扫描技术,开展了低速冲击载荷下含减纱/不含减纱三维编织复合材料破坏模式和损伤分布可视化研究,提出了基于阈值的损伤提取方法,实现了不同冲击区域损伤的识别,澄清了三维五向编织复合材料低速冲击损伤的空间演化机制。结果表明:相比于不含减纱的试样,含减纱的试样具有较小的损伤面积和较大的损伤深度,且损伤集中于冲击中心位置,损伤向两侧扩展时的同步性与一致性受到影响,呈现出一定的随机性及非对称性。同时,三维五向编织复合材料的低速冲击空间损伤呈现椭圆形,且主导损伤模式由冲击中心点向两侧依次为纤维束破坏、基体裂纹和界面脱粘。(4)基于Micro-CT图像扫描结果,重构了含减纱和不含减纱三维五向编织复合材料的多尺度几何模型,建立了包含材料初始损伤准则及损伤演化的本构模型,分别编写了适用于单胞强度计算的UMAT子程序和适用于宏观强度计算的VUMAT子程序。借助ABAQUS软件平台,模拟了低速冲击载荷下三维五向编织复合材料的损伤分布特性。结果表明:该模型能够成功捕捉含减纱和不含减纱三维五向编织复合材料的低速冲击损伤分布,无论是在表面冲击损伤还是三维损伤分布方面,含减纱结构试样的低速冲击损伤特性均与试验结果吻合度良好。而且,低速冲击全场应力分布很好地体现了减纱结构在低速冲击过程中响应速度快、平面应力传递不连续等特性。模拟结果与试验结果的高度吻合验证了该模拟方法的有效性。(5)结合数字图像相关技术(DIC),利用万能试验机对含减纱和不含减纱三维五向编织复合材料的低速冲击后剩余压缩强度进行测试,获取了载荷-位移曲线、剩余强度及损伤模式,探讨了剩余压缩强度百分比与低速冲击损伤尺寸之间的关系。研究表明:相比于不含减纱的试样,含减纱试样的冲击后压缩载荷更高,剩余压缩强度百分比更大,断裂位移更小。随着编织角的增大,减纱结构对剩余压缩强度的影响逐渐减弱。剩余压缩强度百分比与低速冲击损伤长度与宽度呈现线性负相关,与凹坑深度、损伤面积、损伤体积呈现非线性负相关关系。在损伤模式方面,压缩损伤由冲击损伤处萌生并向两侧扩展产生横向裂纹,减纱结构对损伤模式的影响并不显著。