碳纤维平纹与斜纹编织复合材料低速冲击多尺度分析与对比

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.002

复合材料科学与工程 ›› 2023, Vol. 0 ›› Issue (1): 16-25.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.002

碳纤维平纹与斜纹编织复合材料低速冲击多尺度分析与对比

刘乐, 时建纬, 杨晶晶, 李成^*

郑州大学机械与动力工程学院,郑州450001

收稿日期:2021-12-20 出版日期:2023-01-28 发布日期:2023-02-24
通讯作者: 李成(1962—),男,博士,教授,主要从事复合材料动力学响应以及损伤方面的研究,chengli@zzu.edu.cn。
作者简介:刘乐(1997—),男,硕士研究生,主要从事复合材料冲击损伤方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金民航联合基金(U1833116);国家自科基金面上基金(52175153)

Multi-scale analysis and comparison of low-speed impact of carbon fiber plain and twill woven composite materials

LIU Le, SHI Jianwei, YANG Jingjing, LI Cheng^*

School of Mechanical and Power Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China

Received:2021-12-20 Online:2023-01-28 Published:2023-02-24

摘要/Abstract

摘要： 为了探究平纹与斜纹编织复合材料的冲击响应,构建了多尺度框架来进行二者的分析与比较。首先构造出介观下的平纹与斜纹编织结构几何模型来探究二者的力学性能,然后将平纹与斜纹编织几何模型进行局部均匀化从而转化为等效交叉层合板模型,最后把二者的等效交叉模型拓展为宏观下的低速冲击仿真模型,在6 J能量下做了冲击仿真模拟并与实验结果做了对比。仿真和实验结果显示,二者仿真下的冲击力变化趋势与实验下的冲击力变化趋势相似,说明了该多尺度框架的可行性。斜纹编织复合材料的冲击力峰值、冲击力震荡时间以及吸收能量都要高于平纹编织复合材料。

关键词: 编织复合材料, 等效交叉层合板模型, 多尺度模型, 低速冲击

Abstract: To explore the impact response of the plain and twill woven composites, a multi-scale framework was constructed to analyze and compare. First, the mesoscale representative volume element (RVE) of plain and twill woven composites were established to explore their mechanical properties, then locally homogeneous the mesoscale representative volume element(RVE) of pain and twill woven composites were transformed into equivalent cross lamination (equivalent cross-ply laminate, ECPL) model. Finally, the ECPL model of both was expanded into a macroscopic low-speed impact model, with numerical simulations at 6 J impact energy and compared with the experimental results. The results show that the impact time curves of plain and twill woven composite are similar to the experiments, verifying the effectiveness of the macroscopic model. The impact peak of twill woven composite, impact shock time and energy absorption are higher than the plain woven composite.

Key words: woven composites, ECPL, multi-scale modeling, low-speed impact

中图分类号:

TB332

刘乐, 时建纬, 杨晶晶, 李成. 碳纤维平纹与斜纹编织复合材料低速冲击多尺度分析与对比[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(1): 16-25.

LIU Le, SHI Jianwei, YANG Jingjing, LI Cheng. Multi-scale analysis and comparison of low-speed impact of carbon fiber plain and twill woven composite materials[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2023, 0(1): 16-25.

参考文献

[1] QIU M, MIAO Y W, Li Y C, et al. Film-forming mechanisms for self-lubricating radial spherical plain bearings with hybrid PTFE/aramid fabric liners modified by ultrasonic[J]. Tribology Intenational, 2015, 87: 132-138.
[2] 陶肖明, 冼杏娟, 高冠勋. 纺织结构复合材料[M]. 北京: 科学出版社, 2001: 5-7.
[3] 鲍亚东. 车用玻璃纤维增强尼龙66二维斜纹编织复合材料的性能研究[D]. 南京: 东南大学, 2017.
[4] MULAY S S, UDHAYARAMAN R. On the constitutive modeling and damage behaviour of plain woven textile composite[J]. International Journal of Solids and Structures, 2019, 156: 73-86.
[5] WANG L, WU J Y, WANG L, et al. Progressive failure analysis of 2D woven composites at the meso-micro scale[J]. Composite Structures, 2017, 178: 395-405.
[6] CHOI H, HEINRICH C, JI W. An efficient homogenization technique for fiber tows in textile composites with emphasis on directionally dependent nonlinear stress-strain behavior[J]. Composite Structures, 2019, 208: 816-825.
[7] WANG Y, CHEN X G, YOUNG R, et al. Finite element analysis of effect of inter-yarn friction on ballistic impact response of woven fabrics[J]. Composite Structures, 2016, 135: 8-16.
[8] KINVI-DOSSOU G, BOUMBIMBA R M, BONFOH N, et al. A numerical homogenization of E-glass/acrylic woven composite laminates: Application to low velocity impact[J]. Composite Structures, 2018, 200: 540-554.
[9] VALLONS K, BEHAEGHE A, LOMOV S V, et al. Impact and post-impact properties of a carbon fibre non-crimp fabric and a twill weave composite[J]. Composites Part a Applied Science and Manufacturing, 2010, 41: 1019-1026.
[10] 王涛, 侯玉亮, 铁瑛, 等. 基于ECPL模型的平纹机织复合材料低速冲击多尺度模拟[J]. 振动与冲击, 2020, 39(20): 295-304.
[11] 张洁皓, 段玥晨, 侯玉亮, 等. 基于渐进均匀化的平纹编织复合材料低速冲击多尺度方法[J]. 力学学报, 2019, 51(5): 1411-1423.
[12] SHISHEVAN F A, AKBULUT H. Low-velocity impact behavior of carbon/basalt fiber-reinforced intra-ply hybrid composites[J]. Iranian Journal of Science and Technology-Transactions of Mechanical Engineering, 2019, 43: 225-234.
[13] 陈继刚, 薛亚红, 闫世程. 二维机织复合材料弹性常数的有限元法预测[J]. 复合材料学报, 2016, 33(8): 1702-1709.
[14] 王涛. 基于多尺度方法的平纹机织复合材料低速冲击损伤研究[D]. 郑州: 郑州大学, 2020.
[15] UDHAYARAMAN R, MULAY S S. Multi-scale approach based constitutive modelling of plain woven textile composites[J]. Mechanics of Materials, 2017, 112: 172-192.
[16] 张松俊. 基于多尺度模型的二维三轴编织复合材料的损伤破坏机理研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2018.
[17] HASHIN Z. Failure criteria for unidirectional fiber composites[J]. Journal of Applied Mechanics, 1980, 47: 329-334.
[18] HOU J P, PETRINIC N, RUIZ C, et al. Prediction of impact damage in composite plates[J]. Composites Science and Technology, 2000, 60(2): 273-281.
[19] HOU Y L, TIE Y, LI C, et al. On the damage mechanism of high-speed ballast impact and compression after impact for CFRP laminates[J]. Composite Structures, 2019, 229: 111435.
[20] 吴盼, 阎建华, 俞建勇, 等. 碳纤/环氧复合材料层合板低速冲击损伤机理研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2016(3): 31-37.
[21] 杨光猛, 赵美英, 万小朋. 平纹编织复合材料层板高速冲击损伤机理研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2018(4): 21-26.
[22] 张晨曦, 娄源峰, 铁瑛, 等. 基于渐进均匀化多尺度方法的CFR平纹机织材料冲击后压缩损伤研究[J].复合材料科学与工程, 2021(10): 5-12.
[23] GODA I, GIRARDOT J. A computational framework for energy absorption and damage assessment of laminated composites under ballistic impact and new insights into target parameters[J]. Aerospace Science and Technology, 2021,115: 106835.

碳纤维平纹与斜纹编织复合材料低速冲击多尺度分析与对比

Multi-scale analysis and comparison of low-speed impact of carbon fiber plain and twill woven composite materials

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[1]	冯振宇, 李玲玲, 邹君, 解江, 王计真, 郭亚周. 复合材料加筋板高能量低速冲击损伤特性数值研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(2): 13-19.
[2]	刘帅, 王真, 卢国盛, 刘芳, 沈敏. 三维编织复合材料细观结构建模关键问题研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(1): 13-21.
[3]	林逸, 刘玲. 不同冲击角度对复合材料层合板低速冲击损伤特点的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(1): 30-37.
[4]	牟浩蕾, 李仪, 宋东方, 解江, 冯振宇. 芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击特性及损伤分析[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(1): 89-97.
[5]	程振锋, 贾康康, 李成. 碳纤维平纹机织复合材料低速冲击损伤的非线性超声检测研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(5): 94-101.
[6]	姜文, 樊红星, 姚卫星, 陈方, 马铭泽. 基于损伤分形维数的树脂基复合材料冲击后压缩强度预测方法[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(3): 11-17.
[7]	张怀, 李成, 刘乐, 龚桂林. 基于改进三胞模型考虑孔隙缺陷的三维四向编织复合材料多尺度力学性能分析[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(2): 14-23.
[8]	张邵峰, 魏金辉, 唐新春, 许家婧, 刘心语, 姚潞. 低速冲击损伤后FML的剩余拉伸强度数值模拟研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(11): 28-36.
[9]	杨文栋, 徐世伟, 齐业雄. 复合材料夹芯板低速冲击研究进展[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(5): 120-128.
[10]	王涛, 杨勇新. 低速冲击下复合材料组合板新型耗能模式研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(2): 75-81.
[11]	周春苹, 王轩, 张世秋, 冮庆庸. 平纹编织面板泡沫夹芯结构修补后低速冲击性能[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(11): 54-62.
[12]	崔为运, 陈广思, 熊信发, 彭锦峰, 蔡登安, 周光明. 起圈织物泡沫夹芯复合材料低速冲击性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(8): 50-59.
[13]	李磊, 宋贵宾, 郑华勇, 程鹏飞, 赵剑. 基于Puck准则的复合材料层压板低速冲击数值分析与试验验证[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(6): 20-25.
[14]	王海雷, 段跃新, 王维维, 蒋金隆. 玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料的拉伸及低速冲击性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(2): 102-109.
[15]	张晨曦, 娄源峰, 铁瑛, 丛世凡, 李要磊. 基于渐进均匀化多尺度方法的CFR平纹机织材料冲击后压缩损伤研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(10): 5-12.