文档介绍：硕士学位论文

三维编织 C/C 复合材料断裂行为研究

RESEARCH ON THE FRACTURE BEHAVIOR OF
THREE DIMENSIONAL BRAIDED CARBON
POSITES

张骥

哈尔滨工业大学
2012 年 6 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开

工学硕士学位论文

三维编织 C/C 复合材料断裂行为研究

硕士研究生: 张骥
导师: 韩杰才教授
申请学位: 工学硕士
学科: 工程力学
所在单位: 航天学院
答辩日期: 2012 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
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Dissertation for the Master Degree in Engineering

RESEARCH ON THE FRACTURE BEHAVIOR OF
THREE- DIMENSIONAL BRAIDED CARBON-
POSITES

Candidate: Zhang Ji
Supervisor: Prof. Han Jiecai
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Engineering Mechanics
Affiliation: School of Astronautics
Date of Defence: June, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
编织 C/C 复合材料综合了碳纤维和编织复合材料的优异力学性能,不仅具
有高比强度、高比刚度、耐高温、耐烧蚀等优良特性,还大大提高了沿厚度方
向的力学性能,在结构上具有高度的整体性。因此,C/C 复合材料广泛的应用
在工业领域和生物医学领域。由于在材料的制备和使用过程中会产生微裂纹,
微孔洞等细观缺陷,在外载的作用下,这些缺陷进一步发展成为宏观裂纹,在
损伤达到一定容限后破坏。因此研究三维编织复合材料在使用和服役过程中的
断裂损伤和失效是十分必要和迫切的,从而为三维编织复合材料的工程应用提
供理论基础。
本文以三维编织 C/C 复合材料为研究对象,综合利用断裂实验和数值分析
的方法从宏观的角度对材料的断裂破坏过程进行理论分析和数值模拟研究。主
要开展了研究工作如下:
首先,对三维编织 C/C 复合材料的断裂行为进行实验研究,通过弯曲强度
实验考察了切口深度对材料的影响。利用两种不同的计算 C/C 复合材料的断裂
韧性公式得到的断裂韧性值相差较大,说明使用来表征三维编织复合
KIC C/C
材料的断裂特性具有一定的局限性。为了更加直观的研究三维编织 C/C 复合材
料断裂破坏的损伤失效过程,采用了柔度标定的方法结合三点弯曲循环加载实
验获得材料的裂纹扩展阻力曲线(R 曲线)。该曲线反映了材料的损伤演化过
程。
其次,针对三维编织 C/C 复合材料结构的复杂性以及材料非线性,若考虑
单胞结构则十分困难,而且在断裂失效的过程中裂纹的扩展路径是不规则的。
采用离散内聚力模型能够很好的解决材料的非线性问题。在数值分析的过程中
把编织复合材料等效为弹性正交均匀材料,然后通过断裂试验得到应变能释放
率与裂纹扩展长度之间的函数关系并把这一关系嵌入到 UEL 子程序中,通过
和 ABAQUS Document 中的算例结果相比较验证了用户自定义单元子程序的正
确性。然后利用 ABAQUS 结合已开发的子程序对三点弯曲实验进行数值模
拟,为实现三维编织 C/C 复合材料断裂过程的破坏分析提供了计算依据。
关键词:三维编织 C/C 复合材料;断裂行为;离散内聚力模型;UEL
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Abstract
Abstract
Braided carbon/posites bined the excellent mechanical
properties of carbon fiber and posites. Braided carbon/posite
not only has excellent characteristics of high specific strength