STF基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能研究.pdf

1、剪切增稠流體(STF)在高應(yīng)變率下粘度急劇增大，能使浸入其中的纖維織物的抗沖擊性能得到改善，從而在工程應(yīng)用中得到重視。然而，目前對(duì)這種材料的認(rèn)識(shí)主要局限于對(duì)其片段的試驗(yàn)研究，這限制了STF基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工程中的應(yīng)用。 為發(fā)展剪切增稠流體(STF)材料的數(shù)值模擬方法，本文在總結(jié)STF的剪切和拉伸流變性能的基礎(chǔ)上，提出簡(jiǎn)化的STF材料模型的本構(gòu)關(guān)系—?jiǎng)偠认禂?shù)與等效應(yīng)變率成正比，即 其中，等效應(yīng)變率為： 利用LS

2、—DYNA提供的用戶自定義材料子程序接口，編制可以利用LS—DYNA求解器的STF材料模型程序，并通過(guò)拉伸和剪切模擬驗(yàn)證。為了研究直接影響復(fù)合材料力學(xué)性能的基體和增強(qiáng)纖維界面的粘結(jié)性能，進(jìn)行了STF基體纖維拔出過(guò)程的力學(xué)研究，并與線彈性材料基體纖維拔出過(guò)程的力學(xué)行為進(jìn)行對(duì)比，得出如下結(jié)論： (1)與線彈性基體相同，STF在纖維拔出過(guò)程中的位移和應(yīng)力值逐漸增大，且其增大的速率較線彈性材料基體要大； (2)位移和應(yīng)力峰值出現(xiàn)

3、的位置與線彈性基體基本相同，但其應(yīng)力峰值較線彈性基體中的大； (3)與纖維接觸界面處的剪應(yīng)力和徑向應(yīng)力，STF均比線彈性情況大，且其在纖維拔出端的應(yīng)力集中更明顯； (4)纖維在拔出過(guò)程中受STF基體的約束力更強(qiáng)，STF基體對(duì)纖維軸向應(yīng)力影響較大。 在簡(jiǎn)化STF材料模型基礎(chǔ)上，引入復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)模型，應(yīng)用代表體單元法提出STF基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向板的本構(gòu)關(guān)系，編制可以使用LS—DYNA求解器的材料模型程序。利

4、用LS—DYNA對(duì)其進(jìn)行沖擊過(guò)程模擬，對(duì)影響其性能的兩個(gè)重要參數(shù)：應(yīng)變率相關(guān)性系數(shù)α和纖維體積百分含量Vf進(jìn)行參數(shù)化分析，得到以下結(jié)論： (1)在相同的纖維體積含量(Vf=50％)和相同的沖擊力作用下： ①α＜500時(shí)，沖擊頭的反彈速度隨著應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)α的增大而增大，但其增大速率越來(lái)越小；當(dāng)α＞500后，其反彈速度隨著應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)的增大而減??； ②0＜α＜20時(shí)，沖擊時(shí)間基本沒變化；當(dāng)α＞20后，沖擊時(shí)間隨著

5、應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)的增大而減小，且減小趨勢(shì)較大；當(dāng)α＞500后，其減小的趨勢(shì)放平緩； ③最大沖擊力隨著應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)的增大而增大，增大趨勢(shì)隨α的增大而變緩； ④單向板中心撓度隨著應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)的增大而減小，但其減小速率越來(lái)越小。 (2)在相同的應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)(α=100)和相同的沖擊力作用下： ①?zèng)_擊頭的反彈速度隨著纖維體積百分含量的增大而減小，且其減小速率越來(lái)越大； ②沖擊時(shí)間隨著纖維體積百分含量的