1、由于三維機織復合材料(3D woven composites或者簡稱為3DWC)整體性能好，且有高的厚向力學性能、較強的抗損傷、抗分層能力和較好的耐沖擊性能，所以，三維機織復合材料在航空、航海、土木、醫(yī)學、裝甲、智能結構等領域得到了越來越廣泛的應用，特別是在承受多向載荷和抗沖擊結構中的應用有著良好的前景。這主要歸功于三維機織復合材料：(1)預制件的制造機械化程度高，所以能快速大量生產(chǎn)，從而可降低制造成本、縮短生產(chǎn)周期：(2)纖維束、紗線

2、等可在多方向交織，使其滿足不同的力學性能需求；(3)采用熟知的液態(tài)成型技術固化成型制成三維機織復合材料，例如：樹脂傳遞模塑(RTM)、真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)和樹脂膜熔滲(RFI)，將三維機織預制件與樹脂基體固化成型。
　　 三維機織復合材料又可分為如下幾類：三維多軸機織復合材料，斜交三維機織復合材料和正交三維機織復合材料。本文研究涉及正交三維機織復合材料。正交三維機織復合材料(3DWOC)由正交三維機織預制件制成。此

3、類預制件為多層預制件，由機織機將三組纖維束排列、交織而成。第一組纖維束，在機器方向(機織方向)上延伸，稱作經(jīng)紗；第二組纖維束在橫向延伸，稱為填充物或緯紗；第三組纖維束把在厚度方向上以十字鋪層(0/90)形式交替堆放的經(jīng)紗和緯紗捆綁加固，稱為Z向纖維。Z向纖維也被稱作經(jīng)向捆綁紗，因為要達到捆綁的目的，需要一組與經(jīng)紗方向相同的獨立的纖維束。
　　 三維機織預制件可以以單一形式生產(chǎn)，即只使用一種增強材料，也可以采用混合形式，即使用玻璃

4、纖維、芳綸纖維、碳纖維、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維、陶瓷纖維等多種增強材料?；旌闲问娇梢源嬖谟趯娱g(層與層)、層內(nèi)(纖維束與纖維束)、密切混合或是選擇性布局。
　　 雖然三維機織復合材料的整體力學性能要比層合板優(yōu)越，但由于其壓縮性能相對較差，所以在壓縮強度方面仍然有一定的限制。查閱關于三維機織復合材料的相關文獻，如其機織方法、對于力學性能表征、沖擊行為表征、耐損傷性能表征的建模策略等，鮮見有關于其壓縮性能及耐損傷性能表

5、征的研究報道。其主要原因是壓縮性能受多種因素影響而變得十分復雜，甚至用實驗也不容易測正確。
　　 由于沖擊后的壓縮(Compression After Impact或簡稱為CAI)性能是用來衡量材料耐損傷性能好壞的一種指標，因此，對于一種稱為混雜正交三維機織復合材料(3D wovenorthogonal-interlock hybrid composite或簡稱為3DWOHC)的新材料來說，研究其壓縮性能和沖擊后壓縮性能不但具有

6、重要的理論意義而且也有實際工程應用價值。研究中涉及的3DWOHC的經(jīng)向為T300碳纖維束和E玻璃纖維束，緯向和Z向均為E玻璃纖維束。擬從試驗、理論分析和數(shù)值模擬三方面開展研究，通過對試驗件進行力學測試，獲得其壓縮性能和沖擊后壓縮性能；通過研究建立理論分析模型和有限元預測模型，然后通過分析計算預測其性能。
　　 在壓縮性能實驗中，對六根混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)的試件進行了準靜態(tài)壓縮試驗，確定了其楊氏模量、壓縮強度和

7、失效機制。進行壓縮實驗的試件的長度方向均沿經(jīng)向，并且保證試件在壓縮過程中始終處于壓縮實驗夾具中。使用單軸應變計來記錄試件的宏觀應變數(shù)據(jù)，試驗機記錄施加的載荷數(shù)據(jù)。由名義應力和名義應變曲線可獲得楊氏模量，其最大名義應力定義為試件的壓縮強度。由于試驗數(shù)據(jù)有一定的分散性，使用線性回歸法處理所有試樣的試驗數(shù)據(jù)，從而得到經(jīng)向的平均楊氏模量和平均抗壓強度。
　　 為了對失效的試件進行微觀圖像分析從而確定其失效機制，將失效的試樣進行打磨，然后

8、通過數(shù)碼顯微鏡進行觀察。由圖像分析可知，所有的試樣都是由于傳載纖維束的扭折而導致失效。因為Z向纖維同樣承受經(jīng)向載荷，所以Z向纖維束也能觀察到扭折的現(xiàn)象。值得一提的是，在力學測試時可觀察到，基體首先開裂，然后才會觀察到試件破壞性的失效。
　　 沖擊后壓縮實驗的目的是確定低速沖擊下受損的混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)的剩余壓縮強度。該實驗分為兩個階段進行：在第一階段，六塊試驗件在無儀表的落錘沖擊試驗臺上受到低速沖擊。在落錘

9、沖擊實驗中，為了確定各級初始沖擊能量對混雜正交三維機織復合材料沖擊損傷程度的影響，采用不同的初始沖擊能量對每個試件進行沖擊。在沖擊測試中使用了分別為5.0J、10.0J、13.3J、15.0J、16.7J和20.0J的能量作為初始沖擊能。
　　 借助數(shù)碼顯微鏡可確定每個試件的沖擊損傷區(qū)域。結果表明，沖擊損傷面積隨著初始沖擊能量的增加而增大，并且沖擊損傷區(qū)域的形狀為帶圓角的長方形，長邊沿經(jīng)線方向，說明損傷主要沿經(jīng)線方向擴展，因為在

10、緯線方向上由于Z向纖維的捆綁作用抑制了損傷的擴展。為了進一步觀察沖擊損傷試件的層間分離，對試件進行了C掃描，由于Z向纖維的捆綁機制，沖擊損傷試件內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)有層間分離現(xiàn)象。
　　 在沖擊后壓縮性能實驗的第二階段，為了確定三維機織復合材料的剩余壓縮強度，采用自行設計的試驗夾具對受沖擊后損傷的復合材料試驗件施加準靜態(tài)壓縮載荷。由于條件限制，使用的混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)試件的厚度僅為2.4mm，小于用于沖擊后壓縮試驗試

11、件的標準厚度(4-6mm，目標厚度為5mm)，所以當對未損傷的試件進行試驗時，試件發(fā)生了屈曲而失效。因此，基于對混雜正交三維機織復合材料板屈曲分析，改進了自行設計的沖擊后壓縮試驗實驗夾具。最終，采用改進后的自行設計的試驗夾具成功地對含沖擊損傷的試件施加準靜態(tài)壓縮載荷直到破壞，獲得了其剩余壓縮強度。
　　 通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，可發(fā)現(xiàn)當沖擊能量在10.0J以下時，沖擊對混雜正交三維機織復合材料的剩余強度沒有影響；當沖擊能量在10.

12、0J到20.0J之間時，盡管沖擊損傷面積隨沖擊能量的提高而增大，但是沖擊損傷試件的剩余強度相同。這要歸功于Z向纖維抑制了損傷在緯線方向上擴展，由于沖擊損傷主要沿經(jīng)線方向擴展，所以余下的未受損的承載截面積基本保持不變。
　　 共研究了五種預測模型：(1)幾何模型，(2)剛度模型，(3)壓縮強度模型，(4)沖擊損傷模型，(5)沖擊后壓縮強度模型。由于混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)具有周期性結構，所以幾何模型、剛度模型以及壓

13、縮強度模型的建立都基于代表性體單元(RVE)。
　　 先建立了一種新穎的幾何模型，稱為通用幾何模型(Generic Geometric model或簡稱為GG模型)。建立該模型的目的是：(1)為了方便的描述混雜正交三維預制件的內(nèi)部幾何形狀；(2)為了確定不同的機織參數(shù)對于混雜正交三維預制件的幾何參數(shù)的影響；(3)為了確定材料雜交對于混雜正交三維預制件的幾何參數(shù)的影響。對于不同的三維機織預制件和三維機織復合材料的幾何表征，GG模型

14、適用于多種橫截面形狀的纖維束、多種雜交增強系統(tǒng)以及不同的模型(理想模型或者實際模型)。
　　 在通用幾何模型中，提出了一種稱為“通用形狀函數(shù)”(Generic Shape Function或簡稱為GS函數(shù))的新穎形函數(shù)，以參數(shù)形式描述多種多樣的纖維束的橫截面幾何特性。這種方法的好處在于它能夠轉(zhuǎn)化成許多離散的形狀函數(shù)，諸如六角形、菱形、橢圓形、圓形、矩形、橢圓環(huán)形、圓環(huán)形、橢圓弧雙曲形以及圓弧雙曲型。此外，所提出的通用形函數(shù)還能被

15、應用于任何一種二維或三維機織復合材料的幾何公式中。
　　 建立幾何模型時，由于采用了混雜增強方法和通用形函數(shù)，使得通用幾何模型可以靈活地用于采用不同材料、數(shù)量以及縱橫纖維束都不相同材料的幾何描述?；诟尚灶A制件的幾何實體建立了模型，并且著重關注了纖維的截面形狀以及Z向纖維的精確路徑。這么做主要是為了準確估計預制件的參數(shù)，諸如：三個相互正交方向上纖維的體積和體積百分比、面密度、預成型體的厚度。此外，通用幾何模型還能適用于混雜斜交三

16、維機織復合材料(3DWAHC)。
　　 為確定混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)的工程彈性常數(shù)，基于體積平均和各向同性應變邊界條件，提出了一種新的剛度分析模型，稱為通用剛度模型(Generic StiffnessModel或簡稱為GS模型)。這種通用剛度模型使用了增強纖維和基體的工程彈性常數(shù)，并且可獲得混雜正交三維機織復合材料的工程彈性常數(shù)。該模型中計及了雜交增強效應和z-向纖維的起伏效應，利用該模型可方便地確定三維機織復

17、合材料的工程彈性常數(shù)。該模型也適用于混雜斜交三維機織復合材料(3DWAHC)和混雜復合材料層合板的工程彈性常數(shù)的確定。
　　 為了研究混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)中各種組分材料的承載機理并確定其力學性能，在前面提出的分析模型的基礎上，建立了相應的有限元模型。在對復合材料試件進行拋光和電子顯微鏡分析，獲得了纖維束和整個試件的幾何細節(jié)后，通過Pro/E建立了三維實體模型，并將實體模型導入有限元軟件ABAQUS建立了有限元

18、模型。有限元模型采用了三維線性四面體單元C3D4。同時，為了體現(xiàn)混雜正交三維機織復合材料所具有的周期性特性，有限元分析時施加了基于縱向和橫向上的平移對稱特性的周期性邊界條件。為了計算工程彈性常數(shù)，在有限元模型上施加一個單位宏觀應力(1MPa)，計算該宏觀應力下的宏觀應變，最終由所加載的宏觀應力和計算所得的宏觀應變獲得工程彈性常數(shù)。通過分析計算，由通用剛度模型和有限元模型獲得了材料的工程彈性常數(shù)，預測結果與實驗結果比較吻合驗證了這兩個模型

19、的正確性。此外還對材料的混雜效應進行了研究，確定了在縱向增加T300碳纖維對于混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)的工程彈性常數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著縱向T300碳纖維數(shù)量的增加，縱向的楊氏模量也隨之增加。
　　 基于驗證過的有限元模型，進一步研究了混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)的壓縮性能。在混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)中，縱向承載纖維是縱向T300碳纖維和縱向E玻璃纖維。以前的數(shù)據(jù)表明：當復合材料受到壓縮載

20、荷時，一般由于傳載纖維束的扭折而導致材料失效，而這種扭折失效的主要原因是傳載纖維束存在的初始幾何缺陷所造成的?；谠诩兓w內(nèi)的縱向纖維束的第一階屈曲模態(tài)，提出了一個可描述傳載纖維束的初始幾何缺陷的數(shù)學模型。純基體可視為彈性支撐，而縱向纖維束則視為受彈性支撐約束的圓柱桿。對于純基體內(nèi)的縱向纖維束采用有限元法進行了屈曲分析，發(fā)現(xiàn)該縱向纖維束的第一階屈曲模態(tài)含有兩個半波。因此，在所提出的幾何缺陷模型中也假設含有兩個半波。在分析過程中，通過AB

21、AQUS中的用戶定義子程序“ORIENT”來引入幾何缺陷，其中“ORIENT”為ABAQUS的可選選項。
　　 對于纖維束結構損傷的初始形成及后續(xù)演化，采用了基于三維應力的失效準則-Hashin準則；各向同性基體材料采用了J2流動理論并結合von-Mises失效準則進行建模?；谌S應力準則來降低已失效材料的工程彈性常數(shù)，通過用戶定義子程序“UMAT”引入該失效準則和剛度折減模型。對于有限元模型，在縱向，一端施加約束，另一端施加

22、位移載荷。每一計算步后都需求出約束端節(jié)點的累積支反力。將最大累積節(jié)點支反力除以截面積，就可確定出混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)的壓縮強度。采用這樣的模擬策略，利用ABAQUS預測了材料的壓縮強度特性，并通過與實驗結果的比較，驗證了該模型和模擬策略的正確性。同時，通過材料的混雜研究，確定了在增加縱向碳纖維對于混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)壓縮強度的影響。研究結果表明，由于T300碳纖維的壓縮強度與玻璃纖維幾乎相同，所以

23、復合材料的整體壓縮強度并未提高。
　　 為了確定混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)低速沖擊后所引起的損傷并了解損傷的產(chǎn)生機理，通過ABAQUS/Explicit建立了一種基于有限元的沖擊損傷模型。該有限元模型由混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)板(和試驗件相同)和一個圓沖頭組成。為了節(jié)省計算資源，利用關于平行于縱向和橫向中面的幾何、材料和載荷對稱性，僅取正交三維機織復合材料板的四分之一進行建模；圓沖頭采用三維實體建模

24、，用剛體模擬；Z向纖維束被模擬成矩形截面，并具有理想的纖維方向。整個混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)有限元模型采用C3D8R三維線性六面體單元進行建模。
　　 橫向各向同性纖維束定義為無損的線彈塑性材料，基體材料采用J2流動理論進行建模。對于橫向各向同性纖維束，采用了基于三維應力的Hashin失效準則；而對于各向同性基體材料，采用了von-Mises失效準則。纖維束的力學特性由Chamis微觀力學理論計算得到。采用基于三

25、維應力的失效準則來降低已失效材料的工程彈性常數(shù)。通過用戶定義子程序“VUMAT”引入上述失效準則和剛度折減模型。對于沖擊的數(shù)值模擬，采用了與試驗一致的不同初始沖擊能量。
　　 為了確定受沖擊損傷后的混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)的剩余壓縮強度，建立了沖擊后壓縮模型。在建立混雜正交三維機織復合材料(3DWOHC)平板模型時采用了無損材料和含損傷的材料(有損材料)，并使用C3D20三維六面四邊形體單元進行建模。無損材料由傳

26、載的E-玻璃纖維復合材料和T300碳纖維/玻璃纖維混雜復合材料構成，其力學特性可由前面建立的方法確定。在縱向，采用基于Hashin準則的纖維失效模型來判斷單元是否失效。對無損材料的工程彈性常數(shù)進行折減，就可得到有損材料的工程彈性常數(shù)，并且該折減系數(shù)與無損材料失效時的折減系數(shù)相同。
　　 對于無損材料，通過編寫用戶定義子程序“UMAT”就可引入失效準則和折減模型。有限元模型一端完全約束，另一端施加位移載荷。每一計算步后都要求出約束

27、端節(jié)點的累積的支反力，將最大累積節(jié)點支反力除以截面積，就可確定有效剩余壓縮強度，并可確定有效剩余強度和強度折減系數(shù)。通過將預測參數(shù)與實驗結果進行比較對比，發(fā)現(xiàn)預測結果與試驗數(shù)據(jù)相吻合，驗證了所建立的模型的正確性。
　　 論文最后是全文的總結和展望，總結了全文的研究工作，指出了有創(chuàng)新意義的研究成果，并給出了需要進一步研究的一些內(nèi)容。下面簡要地給出主要研究工作和有創(chuàng)新性的研究成果：
　　 1.建立了可用于如滲透模型、微觀力學

28、模型之類的預測模型的新幾何模型。提出了一種新穎形函數(shù)-GS函數(shù)，該函數(shù)可以參數(shù)形式描述多種多樣的纖維束的橫截面幾何特性，能夠用于任何機織復合材料的幾何建模。同時，還建立了一種新穎的適用性廣泛的通用幾何模型(GG模型)，除能夠用于本文研究所涉及的三維機織預制件/復合材料的幾何表征外，也適用于其他三維編制件的幾何表征。
　　 2.提出了一種新的剛度分析模型(GS模型)，該模型中計及了雜交增強效應和z-向纖維的起伏效應，利用GS模型可

29、方便地確定三維機織復合材料的工程彈性常數(shù)。
　　 3.通過電鏡分析獲得復合材料纖維束和整個試件的幾何細節(jié)，然后建立實際材料/試件的幾何模型和代表體的有限元模型，有限元分析時施加周期性邊界條件以體現(xiàn)混雜正交三維機織復合材料的周期性特性。通過分析計算，確定了各組份的承載機理及其力學性能，并由建立的GS模型獲得了材料的工程彈性常數(shù)。預測結果與實驗結果吻合驗證了所建立的模型的正確性。
　　 4.基于驗證過的有限元模型，研究了混雜

30、正交三維機織復合材料的壓縮性能。根據(jù)試驗和電鏡分析先確定了一般的壓縮失效機理：即當復合材料受到壓時，傳載纖維束的初始幾何缺陷使其發(fā)生扭折，從而導致材料失效。由此提出了一個可用于描述傳載纖維束初始幾何缺陷數(shù)學模型，并通過用戶定義子程序“ORIENT”引入；對于纖維束結構損傷的初始形成及后續(xù)演化，通過用戶定義子程序“UMAT”引入基于三維應力的失效準則；各向同性基體材料采用了J2流動理論并結合von-Mises失效準則進行建模。采用這樣的模

31、擬策略，最終利用ABAQUS成功預測了材料的壓縮強度特性，計算結果與實驗結果吻合驗證了模擬策略的正確性。同時，還研究了混雜效應對材料的壓縮性能的影響，給出了有參考意義的結論。
　　 5.開展了沖擊后壓縮性能試驗和數(shù)值模擬研究。復合材料試驗件先受落錘沖擊，然后采用自行設計的試驗夾具成功地對受沖擊后有損傷的復合材料試驗件施加壓縮載荷直致破壞。同時采用有限元法數(shù)值模擬了受沖擊后的復合材料試驗件的壓縮性能，沖擊后壓縮試件采用了無損的單體