高应变率拉压载荷下二维三轴编织复合材料的动态损伤行为及失效机理研究

Two-dimensional triaxially braided composite is increasingly been studied and used in aerospace and automotive structures, due to its excellent impact resistance, crack propagation resistance and energy absorption capability. Extensive studies had been conducted to understand the damage and failure behavior of two-dimensional triaxially braided composite under quasi-static loads. However, there are few reported work on its dynamic damage behavior and failure mechanisms, which limits the development of constitutive models and the crashworthiness design of this material. In this project, we propose an experimental and numerical combined approach to investigate the rate-dependent failure behavior of two-dimensional triaxially braided composite, using Hopkinson Bar System and meso-scale finite element model. We will develop a test method to measure the dynamic mechanical properties of single fiber tow composites, which will then be implemented into the meso-scale finite element model to predict the progressive failure behavior of braided composite together with the meso-scale geometric feature. Based on numerical simulations, the damage initiation, crack propagation, failure behavior and their rate sensitivity under various complex loading conditions will be studied, accompanied by the development of the rate-dependent constitutive relationship and failure criteria for quantitatively describing the effective mechanical response. The achievements of this project will provide insights on the development of computational tools for this type of material and on the crashworthiness design of its application on vehicle structures.

二维三轴编织复合材料以其优异的抗冲击性能、抗裂纹扩展性能和吸能特性在航空和汽车工业的轻质化及耐撞性设计中获得了应用和关注。该材料在静态载荷下的损伤和失效行为已获得充分研究，然而对其动态损伤行为和失效机理的研究十分有限，限制了该材料抗冲击性能的模拟和设计研究工作。本项目基于Hopkinson杆加载系统和细观有限元模拟方法，从实验测试和数值仿真模拟两个方面入手，对二维三轴编织复合材料的动态损伤行为和失效机理进行研究：发展单根纤维束复合材料的动态力学测试方法，建立可准确模拟渐进损伤行为的细观有限元模型；揭示二维三轴编织复合材料在各种复杂载荷条件下的损伤的起始、裂纹的扩展和失效机制以及其应变率敏感性，并建立能够定量描述材料宏观力学响应的动态本构方程和失效判据。本项目对于该类材料计算模拟工具的发展，以及其在运输工具结构上的应用与抗冲击性能设计具有重要的意义。

本项目围绕二维三轴编织复合材料的动态力学行为，以其力学性能的准确表征为出发点，研究了复合材料的准静态和动态性能测试方法、抗冲击性能评价方法、以及宏-细-微观不同尺度下的数值计算和仿真方法。在科学研究方面，发展了单纤维束复合材料力学性能测试方法，获得了不同应变率水平下不同尺寸单纤维束的拉伸力学性能；开展了编织复合材料的准静态，动态和高速冲击打靶试验，获得了材料在不同加载条件下的力学响应和失效特性；建立了编织复合材料的高精度细观有限元仿真方法，实现了编织复合材料在多载荷工况下宏细观变形、渐进损伤失效行为和宏观等效性能的高精度预测，并阐明了自由边效应的形成机制及其导致的材料失效行为的尺寸效应；建立了编织复合材料的宏-细-微观多尺度仿真方法体系，有效衔接了试样级的材料性能测试试验和结构级的平板冲击验证试验，准确预测了编织复合材料平板结构在冲击载荷下的失效特性；提出了编织复合材料多尺度渐进损伤预测的高效理论模型，建立了编织复合材料宏观力学响应和细观原位力学响应的显式表达，实现了多种不同构型编织复合材料在不同加载条件下的渐进损伤行为准确预测。在科研成果方面，依托本项目已累计在Composites Science and Technology、Composites Part A、Composite Structures、Acta Mechanica Sinica、International Journal of Impact Engineering等复合材料和力学领域的高影响力国际期刊，以及《航空学报》和《复合材料学报》等国内高水平期刊和会议发表研究论文32篇；先后发起、组织并参加了多项国际和国内学术会议共计20次，其中特邀报告10次，分组报告10次。在人才培养方面，依托本项目，累计培养研究生8名，其中博士研究生4名，已毕业3人，1人获中国复合材料学会优秀博士论文提名奖；硕士研究生4名，已全部毕业。通过本项目研究，成功建立了针对编织复合材料的多尺度数值模拟方法以及多层级的试验测试及验证方法，系统揭示了二维三轴编织复合在多种不同载荷工况下的损伤行为及失效机理，研究成果能够为结构的抗冲击性设计提供理论依据和技术手段。