机织针织混编结构复合材料冲击拉伸破坏的多尺度分析

Co-woven-knitted fabric combines woven and knitted structure together. The novel structural composite has excellent advantages of impact resistance owing to their microstructure integrity and higher interlaminar shear strength. In this project, the multi-scale microstructure models from fiber, yarn, unit cell, large size fabric and their composites are designed; the impact tension experiments of co-woven-knitted composite under high strain rates are operated; the impact tension processing is simulated via finite element methods; the deformation mechanism of complex textile structure at impact tension is analyzed; the damage fractures and dynamic mechanical properties of co-woven-knitted composite are forecasted; the impact tension damage mechanism of co-woven-knitted composite is observed; the influence of fabric structural parameters on the impact tension behaviors of co-woven-knitted composite is investigated and the best structural parameters of co-woven-knitted reinforcement for the higher impact tension are calculated. The project can indicate the impact tension mechanism of co-woven-knitted from multi-scale microstructure models. This research can help the development and impact-resistance optimization design for novel 3-d textile structural composites such as co-woven-knitted structure.

机织针织混编结构复合材料是机织结构与针织结构有机结合的一种新型纺织结构，具有很高的层间剪切强度与材料整体结构稳定性，在抗冲击纺织结构复合材料设计与应用方面具有特殊优势。本项目将建立从纤维、纱线、单胞到大尺寸织物及其复合材料的多尺度细观结构模型；开展复合材料在高应变率下系列冲击拉伸实验；结合复合材料多尺度细观结构模型，分析冲击拉伸下复杂纺织结构的变形机理；运用有限元方法模拟冲击拉伸过程；有效预测复合材料破坏形态与动态力学性能；揭示复合材料冲击拉伸破坏机理；解释织物组织结构参数对复合材料冲击拉伸性质的影响；提出抗冲击防护性能机织针织混编结构复合材料增强体应有的结构参数特征。该项目通过在多尺度细观结构层次揭示冲击拉伸破坏机理，对于以机织针织混编结构为代表的新型三维纺织结构复合材料的开发与抗冲击优化设计具有重要研究意义。

机织针织混编结构复合材料是机织结构与针织结构有机结合的一种新型纺织结构复合材料，具有较高层间剪切强度与材料整体结构稳定性，在抗冲击纺织结构复合材料设计与应用方面有特殊优势。本项目建立了从纤维、纱线、单胞到大尺寸织物及其复合材料的单胞结构模型与简化细观结构模型等多尺度细观结构模型；在霍布金森拉杆上开展了复合材料在准静态（0.001/s）与高应变率（1589/s-2390/s）下的冲击拉伸实验，结合复合材料多尺度细观结构模型，分析冲击拉伸下复杂纺织结构的变形机制，运用基于ABAQUS软件有限元方法在单胞结构与简化细观结构两种结构模型下的冲击拉伸过程模拟，有效预测复合材料破坏形态与动态力学性能，揭示复合材料冲击拉伸破坏机理，解释织物组织结构参数对复合材料冲击拉伸性质的影响，提出抗冲击防护性能机织针织混编结构复合材料增强体应有的结构参数特征。结果表明机织针织混编结构复合材料具有明显的应变率敏感性，同时拉伸强度、失效应变与破坏形态都对应变率敏感。复合材料的拉伸强度、吸收能量与能量回复随应变率增加而显著增加。复合材料在不同应变率下的破坏模式不同，在准静态条件下为纤维断裂和基体剪切破坏，在高应变率作用下主要为纤维抽拔破坏。.同时在该课题基础上前瞻研究了碳纳米管对三维正交机织结构、多层多轴向经编结构、三维角链锁机织结构等多种纺织结构复合材料的冲击压缩与横向冲击力学性能与破坏机理，结果表明一定的碳纳米管含量能显著提高复合材料的抗冲击加载性能；研究了三维多层多轴向经编结构曲面复合材料在低速冲击下的力学性能与破坏机理，结果表明曲面角度导致复合材料两侧纤维与纱线受力作用不同，从而明显影响曲面复合材料在受冲击加载时的破坏形态与破坏机理。.该项目除具有较好工程应用背景外，从更深层次拓展冲击动力学和纺织结构复合材料学的研究内容。通过在多尺度细观结构层次揭示冲击拉伸破坏机理，有效指导新型三维纺织结构复合材料的开发与优化设计。