柔性机织复合材料顶破失效多尺度损伤模型

Flexible woven composites are widely applied in geotextiles, military tents and oil pipelines due to their superiorities in lightness, high strength and high adaptability. Fexible woven composite consists of woven reinforcement and flexible coating. This project focuses on the stab property of flexible woven composite, analyses the forces acting on the crossing point of woven fabric, builds up a multi-level theoretical model of flexible woven composite under stab loading based on fiber scale. First, with the assumption of ideal contact surfaces between warp and weft yarns, an ideal theoretical model of woven fabric under stab loading will be set up; Based on aforementioned ideal model, a realistic analytical model of woven reinforcement under stab loading can be built up with the consideration of the effect of friction on the stab performance; Finally, the coating material is taken into account to unveil the influence of coating on the stab property and deduce the theoretical model of flexible composite under stab loading. In these theoretical models, the failure process of yarns are analyzed according to the progressive damage model of component fibers. The dispersion of fiber breakingtenacity and asynchronism of fiber failure are adequately considered in this fiber progressive damage model which can reflect actual stab failure process of flexible woven composite. This novel multi-level theoretical model of flexible woven composite under stab loading can provide a firm theoretical foundation for the design and manufacture of flexible woven composite in the near future.

柔性机织复合材料以其轻质高强、适用性广等优势，广泛应用于土工膜布、军用帐篷、输油管道等领域。柔性机织复合材料是由机织物增强体和涂层两部分组成。本项目以柔性机织复合材料顶破性能为主要研究对象，从纤维层面，立足于机织物增强体的经纬纱交织点，构建柔性机织复合材料顶破损伤的力学模型。首先，假定机织物经纬纱之间不存在摩擦，构建机织物顶破损伤理想力学模型；在此理想模型的基础上，考虑交织点之间的摩擦，分析摩擦在机织物顶破性能的重要作用，并构建机织物顶破损伤的力学模型；最后，考虑柔性机织复合材料的涂层对顶破性能的影响，最终建立柔性机织复合材料顶破损伤的力学模型。在该力学模型中，纱线的失效是以纤维的渐进损伤模型为基础的，充分考虑纤维的强度离散性以及断裂不同时性，更加真实客观地反映柔性机织复合材料的顶破渐进失效过程。多尺度柔性机织复合材料顶破损伤模型，可以为优化设计柔性机织复合材料的力学性能提供理论依据。

柔性机织复合材料是复合材料的主要重要分支，在航空航天、能源动力、交通运输、个体防护等各个领域具有广阔的应用前景。由于柔性机织复合材料的结构特征，在承载过程中呈现明显的大变形和非线性，对其理论定量分析相对困难，而仍以传统实验表征为主。本项目立足于柔性机织复合材料在使用过程中经常遇到的岩石、砂砾对其造成的顶破损伤形式，通过构建理论分析模型，定量分析机织物的主要结构参数对其顶破性能的影响，剖析机织物及其增强柔性复合材料的顶破损伤机制。主要研究工作可以概括为以下三个方面：从理想和非理想交织点两个角度对机织物顶破性能进行理论研究，定量分析摩擦在顶破性能中的作用；研究两种涂层方式(聚氨酯涂层和STF浸渍)对机织物顶破性能的影响；采用有限元分析方法定量分析机织物主要结构参数对顶破性能的影响。主要的研究结论包括：经纬纱之间的摩擦效应在提高机织物顶破性能方面发挥着非常显著的增强作用，即凡是可以增大或增强经纬纱交织点摩擦效应的结构因素都可以显著提高机织物的顶破损伤容限；表面涂层和浸渍涂层两种增强方式都可以显著提高机织物的顶破性能。该项目的顺利开展为高顶破容限机织物的结构优化设计提供了理论依据，定量研究了各主要结构参数对顶破性能的影响，通过能量分析手段研究了机织物的顶破损伤过程，从能量角度揭示机织物及其增强柔性复合材料的顶破损伤机理，为机织物的工程应用打下坚实的理论基础。