纤维方向对2.5D编织复合材料抗冲击性能影响及其机理研究

Carbon fiber reinforced resin matrix composites (CFRP) are good lightweight and impact resistant materials. The subject oriented woven CFRP application problem in the impact area, with the 2.5D CFRP material as the research object. The reinforcing fiber orientation is closely related to the material characteristics of crack propagation, so the research of influence of woven fiber orientation on impact resistance and its impact mechanism, accurate woven composite material mechanics prediction model. The main research contents include: First study the crack propagation and damage mechanism under impact load with acoustic emission technique in certain direction of fiber laying angle, combined with microstructure test of broken section. According to the characteristics of material structure select more than one bearing surface to study the mapping relation of impact speed, impact mechanical response and the residual strength ratio. We build impact mechanics prediction model considering fiber orientation and different quantization the fiber orientation. Because fiber preform structure of woven composite play a key role of energy absorbing effect, so we study on optimization of material structure design to improve energy absorption performance, with the method of finite element numerical simulation for multiscale braided material structure modeling. This research help us to understand the impact damage characteristics and structural functional integration design of anisotropic 2.5D CFRP materials, which can provide theoretical basis and technical support for the application of the material in the field of traffic impact safety protection.

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是良好的轻质和抗冲击材料。本课题面向编织CFRP在抗冲击领域中应用问题，以2.5D CFRP材料为研究对象，基于该类材料裂纹扩展与增强纤维方向密切相关特性的发现，研究纤维方向对材料抗冲击性能影响及其机理，建立精确编织复合材料冲击力学性能预测模型。主要研究内容：搭建低速冲击实验平台，研究冲击载荷下单纤维方向对裂纹扩展的影响及损伤机理；分析编织CFRP材料受冲击表面中纤维方向角和不同纤维方向角所占比率，研究其与冲击力学响应和剩余强度关系，建立冲击力学预测模型；基于编织复合材料吸能效应与复合材料纤维预制体结构高度关联性，建立多尺度编织材料有限元结构模型，优化设计材料结构提高吸能性能。深入研究各向异性2.5D CFRP材料抗冲击性能与增强纤维方向关系，为该材料在交通运输碰撞安全性防护领域应用提供理论依据和技术支持。

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是良好的轻质和抗冲击材料。本课题面向编织CFRP在抗冲击领域中应用问题，以2.5D CFRP材料为研究对象，基于该类材料裂纹扩展与增强纤维方向密切相关特性的发现，研究纤维方向对材料抗冲击性能影响及其机理，建立精确编织复合材料冲击力学性能预测模型。主要研究内容包括：.（1）搭建冲击实验平台，对单向纤维树脂基复合材料进行多角度冲击实验，研究冲击载荷下单纤维方向对裂纹扩展的影响，研究单向多层板冲击中损伤面积和形状，探讨不同冲击速度下不同铺层方式的多层单向板抗冲击性能，同时建立复合材料多层单向板冲击问题的力学分析模型，该模型考虑了纤维断裂，基体损伤和分层三种主要损伤型式，与实验结果相应并深入研究多向纤维树脂基复合材料损伤机理。.（2）根据纤维增强复合材料的宏观和细观结构，基于纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设，参考单向纤维增强复合材料层合板材料主方向上的应力应变关系；结合三维Hashin失效准则，建立了不同铺层碳纤维增强复合材料三维粘弹性损伤本构模型；从纤维增强复合材料多层单向板的细观结构出发，在有限元建模中引入界面单元（Cohesive单元）模拟多层单向板的层间分层，采用三维粘弹性损伤本构模型模拟预测不同铺层方式下层合板的抗冲击性能。.（3）从有限元仿真的角度和理论解析的角度对2.5D CFRP复合材料力学性能进行预测评估，建立对应的三维代表性体积单元（RVE）模型，对RVE模型施加对应的周期性边界条件，对其整体力学性能进行计算和预测；基于编织复合材料吸能效应与复合材料纤维预制体结构高度关联性，优化设计材料结构提高吸能性能。.本课题深入研究了各向异性编织复合材料材料抗冲击性能与增强纤维方向关系，为该材料在交通运输碰撞安全性防护领域应用提供理论依据和技术支持。