Weft-knitted composites have broad application prospects in the fields of vehicle, ocean platform and personal protection due to its excellent anti-impact property and energy absorption property. In our research, the anti-impact property and energy absorption property of weft-knitted composites will be studied with multi-scale methods based on its multi-scale structural characters: micro-scale of bundles of fibres→meso-scale of knitted unit cell→macro-structure. Firstly, the characterization of geometry unit cell model of every scale will be studied more accurately, and multi-scale mechanical models will be built, including micro-scale mechanical model of bundles of fibers with material nonlinearity and meso-scale mechanical model of periodic knitted unit cell. Secondly, the multi-scale coupled numerical model will be developed to investigate the mechanical behaviors of anti-impact and energy absorption of weft-knitted composites based on the multi-scale mechanical model. The characterization of material nonlinearity and definition of boundary conditions of unit cell will be investigated more accurately, and the failure criteria of unit cell will be proposed. Coupling mechanism from micro-scale of bundles of fibers to meso-scale of knitted unit cell to macro-structure will be especially studied. Finally, the experiment will be done and the results of numerical simulation will be compared with the results of experiment to verify the validity of theoretical model. The study will help to realize correlative research from micro-scale of bundles of fibres to meso-scale of knitted unit cell to macro-structure, predict anti-impact property and energy absorption property based on the property of component material and knitting structure parameters, and provide theoretical foundation for the engineering application of weft-knitted composites.
纬编针织复合材料具有优良的抗冲击和能量吸收性能,在汽车、海洋平台以及个人防护等领域具有广泛应用前景。本研究基于其具有微观纤维束→细观针织单胞→宏观结构的多尺度结构特征,采用多尺度方法研究其抗冲击和能量吸收性能。首先,研究准确地表征各尺度力学模型所需的单胞几何模型,建立考虑材料非线性的纤维束微观尺度和周期性针织单胞细观尺度多尺度力学模型;其次,基于此模型对其抗冲击和能量吸收性能进行多尺度耦合的数值分析,研究准确地表征材料非线性、定义单胞边界条件、确定单胞破坏准则,重点探索由微观纤维束、到细观针织单胞、再到宏观结构三个尺度的耦合机制;最后,进行实验测试并与数值模拟结果对比以验证理论模型的正确性。本研究将有助于实现从纤维束微观尺度、到针织单胞细观尺度、再到结构宏观尺度上不同尺度的关联研究,实现由组分材料性能及针织结构参数预测其抗冲击和能量吸收性能,为其在工程领域的应用提供理论依据。
纬编针织复合材料具有优良的抗冲击和能量吸收性能,在汽车、海洋平台以及个人防护等 领域具有广泛应用前景。本研究基于其具有微观纤维束→细观针织单胞→宏观结构的多尺 度结构特征,采用多尺度方法研究其抗冲击和能量吸收性能。首先,研究准确地表征各尺度力学模型所需的单胞几何模型,建立考虑材料非线性的纤维束微观尺度和周期性针织单胞细观尺度多尺度力学模型;其次,基于此模型对其抗冲击和能量吸收性能进行多尺度耦合的数值分析,研究准确地表征材料非线性、定义单胞边界条件、确定单胞破坏准则,重点探索由微观纤维束、到细观针织单胞、再到宏观结构三个尺度的耦合机制;最后,进行实验测试并与数值模拟结果对比以验证理论模型的正确性。本项目以UHMWPE为原料,成功制备出8层、12层和16层纬平针织复合材料,对三种不同层数纬平针织复合材料的力学性能进行测试,通过对强力-位移曲线、应力-应变曲线等分析,得出16层纬平针织复合材料的总体力学性能最好,12层次之,8层最差。针对Pierce线圈模型和B样条线圈模型的特点,参照纬平针织物实际线圈在三维空间中的几何形态,提供了一种采用特殊型值点建立纬平针织物模型的新方法。采用有限元分析软件ABAQUS对复合材料的低速冲击性能进行了模拟研究。将模拟结果与实验结果进行比较,复合材料的冲击损伤形式和试样吸收能量值与试验结果比较接近。本研究将有助于实现从纤维束微观尺度、到针织单胞细观尺度、再到结构宏观尺度上不同尺度的关联研究,实现由组分 材料性能及针织结构参数预测其抗冲击和能量吸收性能,为其在工程领域的应用提供理论依据。
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数据更新时间:2023-05-31
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