摘 要

这项工作提供了一种系统的方法来准确预测经受弯曲载荷的复合材料结构中的损伤进展。用于无人驾驶飞行器（UAV）的起落架结构由编织织物预制件制成并评估弯曲行为。开发了一种多尺度有限元分析（FEA）模型，用于分析这些结构在弯曲载荷下的渐进损伤。首先进行微观尺度和介观尺度分析。随后，微观尺度和介观尺度分析的结果被用作宏观尺度分析的输入，预测整个起落架结构的渐进损伤。数值结果通过实验研究验证。

关键词：编织复合材料，起落架，弯曲，有限元，多尺度，渐进损伤

Abstract

This work provides a systematic approach to accurately predict damage progression in a composite structure subjected to bending load. Landing gear structures for unmanned aerial vehicle (UAV) were fabricated from braided textile preforms and assessed for flexural behavior. A multi-scale finite element analysis (FEA) model was developed for analyzing the progressive damage of these structures under bending loads. Micro-scale and meso-scale analyses were carried out first. Subsequently, the results of micro-scale and meso-scale analyses were used as inputs in macro-scale analyses that predicted the progressive damages in the entire landing gear structure. The numerical results were validated by experimental studies.

Keywords：braided composite, landing gear, bending, finite element, multi-scale, progressive damage

目 录

摘 要 I

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1碳纤维/环氧树脂复合材料 1

1.1.2 ABAQUS软件简介 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1细观力学方法 2

1.2.2宏观力学方法 3

1.3本文的主要研究内容 3

第2章 实验及模拟步骤 5

2.1材料和样品制造 5

2.2测试 6

2.3多尺度分析方法的步骤 7

2.3.1微观尺度分析纤维束的性质 8

2.3.2双轴向编织材料性质的介观尺度分析 10

2.3.3起落架弯曲性能的宏观尺度分析 11

第3章 结果和讨论 13

3.1微观分析 13

3.2介观尺度分析 14

3.3宏观分析 16

第4章 结论 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1碳纤维/环氧树脂复合材料

碳纤维复合材料，是一种新型高性能复合材料，英文名简称CFRC，与其他复合材料一样，其性能由碳纤维和树脂基体共同决定，这一特点使其无论是用作结构材料还是作为功能材料，都能满足优异性能的需要。早在上世纪六十年代初，碳纤维/环氧树脂复合材料就已经了有初步的发展，最初的成型是玻璃钢复合材料。由于该复合材料中含有碳纤维，使得复合材料具有低比重，高强度，高力学性能的特点，以及很好的耐化学性能耐腐蚀等优点，从八十年代开始，随着社会的高速发展，普通单一的材料已经无法满足社会各方面高要求的需要，碳纤维/环氧树脂的出现正好解决了这一问题，因此该复合材料得到了广泛的应用。风力作为二十一世纪最主要绿色能源之一，目前越来越受到人们的关注，而叶片作为风力发电装置的核心部件，对材料的各项性能要求都很高，为了能让整个装置有更高的功率，这就需要叶片尽可能地有更大的面积和更轻的质量。除了拥有高力学性能和低密度轻质量以外，碳纤维/环氧树脂复合材料还有很好的极佳的稳定性以及耐高温性能。另外，碳纤维/环氧树脂复合材料还广泛应用于建筑行业、汽车制造、国防设备等领域。

1.1.2 ABAQUS软件简介

复合材料渐进损伤是一个非线性问题，通常处理线性问题的软件有很多种，ABAQUS软件是一款具有有限元方法分析功能强大的工程模拟软件，可以模拟并解决从相对简单的线性问题到复杂棘手的非线性问题。其他有限元分析软件在处理非线性问题时不是特别精确，因此本任务选用ABAQUS有限元分析软件。

ABAQUS有限元分析软件在处理非线性相关问题的分析工作时，只需要用户提供必要的材料属性和受力情况，例如构件的几何形状、材料的各项力学参数、位移/应力边界条件以及受力载荷分布等。ABAQUS软件可以分析并处理复杂的包括多种不同材料、承受复杂多变的载荷与热载荷过程及变化接触条件的非线性的组合问题。同时，ABAQUS软件可以自己定义用户子程序，编写各个材料在不同境况下不同的破坏失效准则，这样分析得到的数据更能接近实际实验所测得的相关参数。在非线性静态的分析中，ABAQUS软件将载荷分成了许多相同增量的载荷步，对每一载荷步实行线性逼近以达到平衡。在非线性的分析处理中，ABAQUS软件能自动地选择相对应的载荷增量与收敛速度，这样不但可以选择适合的参数，而且还能连续调节参数，因而确保了分析过程的准确而得到精确解。

1.2国内外研究现状

1.2.1细观力学方法

我们通过实验测得碳纤维和环氧树脂基体各自的各项力学参数，在ABAQUS软件上建立各自的模型，分别赋予部件材料属性，其失效准则依据哈辛准则和最大应力破坏准则，将其编写在FORTRAN子程序中，然后在ABAQUS软件中对其施加所规定的应变和相应的边界条件，再对其各个模型划分网格，网格的划分应注意最大长宽比不应过大，可划分多次进行对比，选取最恰当的一次作为任务的输出值，最后一步就是对其模型作业，导出相关的图并计算得到所需要的相关力学参数，这样我们就通过输入碳纤维和环氧树脂基体各自的力学参数经建模分析得到整个纤维束的力学性能参数，所得到的数值可与实验直接测量纤维束的数值进行比较，还可以同经公式计算所得的数值进行比较，来判断该任务的分析方法的正确性和准确性。

其中最关键的步骤是建立各自的软件模型，各自所占的体积比会影响到整个纤维束的性能，这本次任务中我们采用纤维占整个纤维束的85%体积比，其中接触面的参数也有明确规定，具体参见第2章。FORTRAN子程序中定义材料的名称也十分重要，这关系到最后的作业数值结果能不能分析计算出来，所有的操作步骤中一定要和子程序中的规定相一致。

1.2.2宏观力学方法

通过之前的计算得到相应的应力值后，将其代入对应的失效准则，再通过计算来判断材料是否已经被破坏导致失效。碳纤维复合材料的失效准则可分为几种类型。从理论分析出发，可以分为基于材料的强度和基于断裂力学理论两种失效准则，其中材料强度的失效准则被更广泛地应用于复合材料的分析，这其中包括最大应力/应变准则等，另外一种失效准则则是基于断裂力学的相关理论，比如应变能释放率准则。通常适用于编织复合材料的失效准则有哈辛（Hashin）失效准则。碳纤维编织复合材料的失效可分为树脂基体的失效、碳纤维的失效以及接触面的失效。通常纤维拉伸失效是最容易确定的一种失效准，在力和位移的约束下，该失效模式发生在复合材料引起纤维断裂时。另外一种失效模式是基体裂纹，它包括纤维束中树脂基体的裂纹与基体中空洞。早期多采用最大应力准则来分析复合材料的渐进损伤，复合材料的损伤过程实质是损伤累积的过程。当前渐进损伤分析所选取的失效准则不仅可以包括材料损伤累积对材料结构强度刚度的影响，而且同时还可以区分破坏模式，比如最大应力准则，Hashin准则，Puck准则，Chang准则，LaRC04准则等。

1.3本文的主要研究内容

编织是一种纺织工艺^[1]，将一定数量的纤维束由编织机送入心轴，以获得干纤维编织。纤维束的编织角度（纤维取向）由纤维卷的数量、芯棒的直径等控制，之后，这些干燥的纤维束通过树脂如真空辅助树脂传递模塑等工艺浸渍，制成复合材料部件。该制造技术提供高生产率，并且特别适用于诸如管的中空结构。它还通过改变纤维纱的编织角度或结构来提供复合材料性能的设计灵活性。通过引入3D编织纤维预制件，可以实现厚度的增强。编织纺织复合材料的优点包括但不限于增加的横向模量和强度^[2]，改进的抗剪切强度^[3]，断裂韧性^[4]和损伤容限^[5]。此外，编织复合材料也适用于复杂形状^[6]。编织复合材料中混杂纤维的复杂结构给其力学行为的预测带来了困难。良好的解析和数值预报技术适用于编织的纺织复合材料尚未被开发，以满足实际应用的需要^[7-9]。不同结构的数值分析模型，包括编织管^[10]，面芯编织结构^[11]，2D和3D编织复合材料^[12-13]，对于不同的载荷条件，例如拉伸^[14]，压缩^[15]，冲击^[16]等，至今已有报道。然而，编织复合材料的相关模型仍然相对有限。对具有所需几何形状的编织纤维预成型件的有限了解和代表性体积元件的构造困难部分地解释了这种稀缺性。

损伤的发生和传播在有限元分析过程中成功预测复合结构的损伤和强度起着关键作用。不同的有限元求解器通常有自己的故障检测机制。Hashin准则^[17]可在ABAQUS标准/显式求解器中获得。Madukauwa-David和Drissi-Habti^[18]在三点弯曲载荷下模拟了一个大型复合平台的机械性能。选择Hashin准则在ABAQUS环境中易于使用，并分别检查纤维和基质，拉伸和压缩损伤的可能性。然而，这些解算器中可用的破坏准则或损坏启动机制是有限的。对于有限元分析，需要灵活实施综合考虑潜在失效模式，更适合某些情况的破坏标准。ABAQUS提供的UMAT（或ABAQUS/Explicit的VUMAT）和USDFLD用户界面满足了这种需求。在某些情况下，ABAQUS求解器中可用的本构模型不足以准确地解释结构材料的行为。UMAT用户界面允许工程师定义自己的本构模型。Dai和Cunningham^[19]编写了一个VUMAT代码来计算3D编织复合材料的变形，而Panamoottil等^[20]开发了各向异性应变依赖材料损伤模型，并通过UMAT接口在有限元程序ABAQUS中实现。Wang等^[21]提出了一种多尺度方法来预测编织复合材料中的逐渐损伤，其中使用USDFLD用户子程序来计算失效指数。