2.5D机织复合材料开孔与...拉伸力学性能及渐进损伤研究.pdf

摘要

摘要

2.5D机织结构具有空间角联的纤维束交织特性，通过层层角联的结构将相邻层的

纬纱连结，采用该织物结构的复合材料表现出优异的力学性能，广泛应用于航空航天

及国防军工领域的重大装备部件。2.5D机织结构具有净成型制造的特点，能够通过结

构设计实现复杂构件的批量生产，进而有效减少零件数量。然而，在材料向构件转变

的过程中，依旧不可避免地涉及到零件的加工和连接装配，这将带来加工损伤、边界

效应和尺寸效应等问题。同时，2.5D机织复合材料具有复杂的细观结构，其加工连接

失效模式仍不清晰，构件的可靠性和承载效率面临巨大的挑战。本文以2.5D机织复合

材料为研究对象，围绕打孔及螺栓连接典型加工特征，重点开展细观结构参数化重构、

试验表征和数值模拟等工作，以期为2.5D机织复合材料构件加工及连接结构设计提供

数据支撑。论文主要内容及结论如下：

（1）采用计算机断层扫描技术（Micro-CT）对2.5D机织复合材料进行扫描，通

过VGStudioMAX提取并分析纱线形态，建立了2.5D机织复合材料细观单胞的参数化

模型。结果表明，所建立的2.5D机织复合材料细观单胞模型与真实结构吻合较好，为

后续2.5D机织复合材料加工与连接力学性能和损伤过程模拟提供了充足支撑。

（2）针对含孔2.5D机织复合材料，设置了不同宽径比w/D，利用万能试验机进

行单轴拉伸性能测试，获取了应力-应变曲线、关键力学特征值及失效形貌。结果表明，

2.5D机织复合材料的刚度不受w/D影响，而当w/D由6减少至4，试样强度与失效应

变分别减少16.22%和23.73%，对材料承载性能影响较大。此外，经纱在加载过程中承

担大部分载荷，主要损伤形式为纤维束断裂，纬纱的损伤集中在试样断口处，主要表

现为纤维束径向开裂。

（3）制备具有不同装配参数的2.5D机织复合材料，通过螺栓与夹具连接，利用

万能试验机进行拉伸测试，并通过Micro-CT获取了损伤区域图像，分析了材料的失效

模式。结果表明，采用w/D为6、e/D为3的参数制孔时，试样刚度为2.77GPa，极限

挤压强度为647.52MPa，而当w/D为下降为4，刚度与强度分别减少3.18%和2.77%；

e/D为下降为2.5，刚度与强度分别减少1.62%和7.19%，材料承载性能损失较少。

（4）基于2.5D机织复合材料细观单胞，构建宏-细观结合的多尺度有限元分析

模型，分别模拟了2.5D机织复合材料在开孔拉伸载荷与连接拉伸载荷下的损伤过程。

结果表明，所建立的有限元模型能够较好地预测材料的失效载荷。在开孔拉伸模型中，

材料的失效受到孔周围应力集中和接结经纱弯折处的应力集中共同影响。在连接拉伸

模型中，材料的失效大多由初始损伤扩展形成的损伤主导。

关键词：2.5D机织复合材料；螺栓连接；Micro-CT；有限元数值模拟；宏-细观混

合模型

I

Abstract

Abstract

The2.5Dwovenstructurehasthecharacteristicsofinterweavingfiberbundleswithspatial

angularlinkage,andtheweftyarnsofadjacentlayersareconnectedthroughthestructureof

angularlinkage.Thenumberofpartscanbeeffectivelyreduced.However,thetransformation

ofmaterialstocomponentsstillinevitavolvesthemachiningandjointassemblyofparts,which

willbringproblemssuchas