博士学位论文答辩公告--航空学院赵振强

2019年05月16日 09:55  

学科专业:固体力学
论文题目:二维三轴编织复合材料的动态力学行为与失效机理
答辩人:赵振强
指导老师:李玉龙
时  间:2019-05-16  16:00
地  点:航空楼A817
一、学位论文简介
复合材料在航空结构中的使用,其主要目的就是减重,如何在减重的同时保证结构的安全性和可靠性,是结构设计人员面临的首要问题。飞机结构在服役过程中可能遭遇到的鸟撞、冰撞、砂石撞击等问题,以及航空发动机压气机的叶片抗鸟撞和机匣包容性问题,都对复合材料结构的抗冲击安全性提出了要求。编织复合材料克服了传统铺层复合材料受到冲击时易分层的缺点,并且具有便于一体成型的优点,被越来越广泛的用于抵抗外物冲击的结构材料。然而,编织复合材料复杂的几何特性,导致其力学变形和失效行为极其复杂,具有明显的非均匀性和多尺度损伤特性,对材料的性能表征、仿真分析和结构设计造成了很大困难。 本研究主要目的是以T700碳纤维/3266环氧树脂制备的二维三轴编织复合材料为研究对象,建立一套针对编织复合材料的多尺度分析方法,以此研究编织复合材料在准静态、动态以及高速冲击载荷下的损伤和失效机理,形成可用于编织复合材料抗冲击设计的方法体系。主要工作内容以及得出的重要结论如下: (1)进行了二维三轴编织复合材料的准静态性能测试,获取了材料面内基本力学性能。同时建立了能够反映二维三轴编织复合材料细观编织结构的细观有限元模型,并用试验结果充分验证了模型的适用性。结合试验和细观有限元模拟研究,揭示了二维三轴编织复合材料在面内不同准静态加载条件下的变形和失效机理,并与铺层复合材料的失效行为进行了对比。结果表明,二维三轴编织复合材料在单轴拉伸或压缩载荷作用下都会表现出复杂的失效模式,并且界面性能对二维三轴编织复合材料横向拉伸及压缩力学响应都有明显影响。界面强度的提升有助于抑制材料自由边效应造成的边界损伤,但不能完全消除自由边效应对材料失效行为的影响。作为对比,铺层复合材料的拉伸强度与二维三轴编织复合材料相近,但失效模式则完全不同。铺层板各层内相对独立的纤维或基体失效,以及大范围的层间分层主导了材料的破坏过程。 (2)采用电磁驱动的单轴双向霍普金森杆测试系统,对二维三轴编织复合材料进行了单轴双向同步动态压缩加载,并通过使用高速摄像机记录材料的失效破坏过程,分析了材料在不同应变水平下的失效特征。结果表明,二维三轴编织复合材料的轴向压缩强度以及横向压缩强度都具有明显的应变率强化效应,并且在轴向和横向动态压缩载荷下,材料的失效机制有明显的差别。其中,轴向压缩失效的直接原因是界面失效后导致的轴向纤维束屈曲和断裂,纤维断裂发生以后,材料会迅速失去承载能力;而横向压缩过程中并未出现明显的纤维断裂,而是材料内部纤维束间界面失效的不断累积最终造成材料沿厚度方向的剪切破坏。 (3)开展了二维三轴编织复合材料以及铺层复合材料平板的硬物冲击试验。试验中使用三维DIC技术获取了靶板变形历程,并通过高速摄像手段计算出子弹的飞行速度和撞击姿态角,对冲击后的靶板使用超声波C扫描和X射线CT检测,对比分析了编织复合材料和铺层复合材料的高速冲击失效机制。结果表明:二维三轴编织复合材料平板在承受硬物高速冲击过程中表现出了优异的抗冲击性能和止裂特性,通过对冲击后的靶板进行无损检测后发现,迎弹面的撞击区域四周由于子弹的冲剪作用造成部分纤维断裂,以及纤维束内的基体开裂,冲击造成的裂纹分别沿靶板轴向和横向扩展;背弹面主要出现了纤维拉伸断裂、基体开裂以及树脂材料粉碎性失效,裂纹扩展方向沿轴向及偏轴纤维束方向;靶板整体并未出现明显变形,破坏区域集中在撞击区域周围。而铺层复合材料平板在冲击后发生明显的变形,背弹面有大量沿纤维方向扩展的基体裂纹,同时内部出现大面积分层,纤维剪切破坏和层间分层是最主要的破坏模式。 (4)针对二维三轴编织复合材料的冲击损伤行为分析,建立了多尺度数值仿真方法体系,包括微观力学模型、细观有限元模型和宏观亚单胞模型,提出了细观-宏观均匀化方法以精确获取宏观亚单胞模型的等效性能参数。通过模拟高速冲击试验并对比试验结果,充分证明了数值模型的有效性,并使用模型进一步分析二维三轴编织复合材料的高速冲击失效行为。研究发现:硬物子弹撞击二维三轴编织复合材料靶板的过程可以分为三个阶段,分别为靶板初始变形/子弹速度迅速下降阶段、靶板最大变形/子弹侵入或转向阶段、以及子弹穿透靶板或回弹阶段。基于所发展的多尺度模型,分析并讨论了子弹偏转撞击的影响规律,发现同一撞击速度下,子弹偏转角越大时越容易穿透靶板,并且递增的偏转角对子弹撞击靶板过程的影响呈阶梯式变化;然而,当子弹偏转角小于2°时,冲击过程不会受到明显的影响。  
二、攻读博士学位期间以第一作者发表与学位论文相关的学术论文:
[1]  Zhao, Zhenqiang,Zhang, Chao,Li, Yulong。Tensile and compressive failure behaviors of triaxially braided composite。33rd Technical Conference of the American Society for Composites 2018,2018。EI,20190106339607  
[2]  Zhenqiang Zhao,Haoyuan Dang,Chao Zhang,Yulong Li,Xi Li,Jun Xing,Wieslaw K. Binienda。Progressive Failure Simulation of Notched Tensile Specimen for Triaxially-Braided Composites。Materials,2019/12/5。JCR分区;SCI(E);中科院分区 
[3]  Zhao, Zhenqiang,Liu, Peng,Li, Yulong,Chen, Chunyang,Zhang, Chao。Modeling the transverse tensile and compressive failure behavior of   triaxially braided composites。COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY,2019/172/。JCR分区;SCI(E);中科院分区,;;WOS:000459364200012  
[4]  Zhao, Zhenqiang,Dang, Haoyuan,Yun, Gun Jin,Li, Yulong,Zhang, Chao。A multi-scale modeling framework for impact damage simulation of   triaxially braided composites。COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING,2018/110/。JCR分区;SCI(E);WOS:000436052100013


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