【摘 要】
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开发一种全新的三维角联锁机织复合材料,是一种由多层经向纱线和纬向纱线连接的整体结构。不同于传统的层合复合材料,三维角联锁机织复合材料在厚度方向引入了增强纤维,大大加强复合材料在冲击荷载作用下的抗分层性能。凭借其超高的拉伸、弯曲、压缩强度和较高的抗冲击韧性、疲劳强度、损伤容限及能量吸收率,可以广泛的运用于航空航天、军事国防、爆炸加工及公共安全领域。本文采用试验结合数值模拟的研究方法对三维角联锁机织复
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开发一种全新的三维角联锁机织复合材料,是一种由多层经向纱线和纬向纱线连接的整体结构。不同于传统的层合复合材料,三维角联锁机织复合材料在厚度方向引入了增强纤维,大大加强复合材料在冲击荷载作用下的抗分层性能。凭借其超高的拉伸、弯曲、压缩强度和较高的抗冲击韧性、疲劳强度、损伤容限及能量吸收率,可以广泛的运用于航空航天、军事国防、爆炸加工及公共安全领域。本文采用试验结合数值模拟的研究方法对三维角联锁机织复合材料的基本力学性能和低速冲击力学性能进行了研究。主要的研究工作与创新成果包括以下几个方面:（1）针对经过纺织的UHWMPE纤维束进行静态拉伸试验,探究UHWMPE纤维束在纺织完成后剩余的拉伸强度和拉伸膜量。经过纺织的UHWMPE纤维束强度保持率为0.4-0.6,模量保持率为0.3-0.5,纤维束的强度和模量在纺织过程中拉伸强度和模量均出现明显的下降。（2）研究三维角联锁机织复合材料试件准静态拉伸性能和压缩性能。将三维角联锁机织物作为增强体与聚氨酯树脂基体材料进行固化成型,制成平板大样后裁剪成为符合相关试验标准的试件。针对经向、纬向和45o方向进行准静态拉伸试验,得到准静态下三个不同加载方向的三维角联锁机织复合材料拉伸性能参数。经向拉伸破坏强度约为96.84Mpa,模量约为2.19GPa;纬向拉伸试验中复合材料仅出现纤维拔出破坏,拉伸强度和模量忽略不计;45o方向试件的屈服点出现在应力为9Mpa时,复合材料断裂出现在应力为7-9MPa附近。三维角联锁机织复合材料三个方向的拉伸强度和模量偏低的原因在于:聚氨酯基体材料含量较少且强度偏低,在复合材料中聚氨酯材料仅起到保持三维角联锁机织物空间结构的作用,对复合材料强度和模量的贡献较小。进行不同层数的静态压缩试验,探究层数对复合材料压缩性能的影响。三维角联锁机织复合材料单层压缩破模量可达到965.79MPa,压缩失效强度为221.55MPa;双层复合材料压缩模量可达到909.18MPa,压缩失效强度为197.76MPa;三层复合材料压缩模量可达到758.61MPa,压缩失效强度为132.35MPa;四层复合材料压缩失效强度为89.82MPa,压缩试下模量为589.88MPa。随着层数的增加,复合材料的压缩强度和压缩模量在逐渐缩小。（3）探究三维角联锁机织复合材料在低速冲击作用下的响应特征,采用Instron Ceast 9350落锤冲击试验系统测试三维角联锁机织复合材料在低速冲击作用下的抗冲击性能。落锤冲击速度依次为3m/s、4m/s、5m/s、6m/s和7m/s,靶板材料在冲击过程中吸收的能量从18.64J增加到430.49J,能量吸收率从17.25%逐渐增加到69.83%。三维角联锁机织复合材料吸收能量的形式是冲击方向的大变形,这种变形方式不利于其发挥防护作用。（4）利用Tex Gen织物建模软件建立三维角联锁机织复合材料几何模型,并采用ABAQUS有限元软件计算三维角联锁机织复合材料的拉伸弹性模量,并研究复合材料织物层数对弹性模量的影响。层数从3层织物增加到7层织物,复合材料拉伸弹性模量分别为1.703GPa、2.005GPa、2.249GPa、2.284GPa及2.517GPa。随着织物层数的增加,三维角联锁机织复合材料经向拉伸弹性模量呈线性上升趋势,但是当层数达到6层之后上升趋势减缓,织物层数对三维角联锁机织复合材料拉伸弹性模量的贡献能力逐渐减小。（5）使用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立低速冲击数值计算有限元模型模拟落锤低速冲击过程,对冲击过程中冲击头的接触力-时间曲线与试验结果进行对比,探究落锤冲击速度和三维角联锁机织复合材料靶板厚度对落锤接触力和靶板破坏形貌的影响。随冲击速度的提高落锤冲击头最大接触力逐渐增大,并且达到最大落锤接触力的时间逐渐提前。落锤冲击过程分为两个阶段:第一阶段接触力随时间上升阶段,冲击正面的UHWMPE纤维和聚氨酯基体材料受压缩剪切作用,冲击背面的纤维和基体材料受拉伸剪切作用,两种破坏方式使复合材料快速吸收冲击头的动能。第二阶段为大变形阶段,当冲击头接触力达到最大之后,复合材料靶板与夹具之间产生相对滑移使得落锤冲击头所受合力迅速减小直至为零。
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