本文是一篇工程硕士论文，本文采用霍普金森压杆实验技术，完成了三维机织碳纤维复合材料的动态力学性能测试，包括三维机织碳纤维复合材料三方向（经向、纬向、z向）的动态压缩实验，在不同加载方向上通过设置不同应变率。
1 绪论
1.1 选题背景和研究目的
由两种或两种以上不同物质经过多种多样的组合方法得到的新材料被称为复合材料，它使材料中的各组分发挥着不同的作用，相互补充，进一步拓展了新材料的应用范围[1-4]。复合材料因其重量轻、强度高、加工成型方便、弹性好、耐化学腐蚀等特点，已广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑等领域。随着材料制备技术的快速发展，尤其是纤维增强复合材料，通过添加纤维等材料，使基体与纤维的各优良性能有机结合起来，便使得纤维复合材料相较于传统的复合材料在力学、机械等性能上具有独特得优势[2,4]。通常，复合材料具有连续相（基体）和嵌入连续相中的增强体（颗粒或纤维）组成。常用基体材料主要包括树脂基体、金属基体（包括铜，钛合金，镍等）、碳素基体等，主要有传递载荷，固定纤维的位置，防止纤维受到磨损和腐蚀的作用；增强材料采用各种颗粒或纤维材料，如：玻璃纤维，碳纤维等，在复合材料中起主导作用，提供力学性能。与传统材料相比，复合材料具有比强度高、比模量大、耐腐蚀性好、耐高温（低温）等显著优点，越来越受到人们的重视。近年来，碳纤维增强复合材料（CFRP）已广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。
伴随着我国军事科学的不断发展，空中作战武器（如新型导弹等）的出现，使得航空航天材料在运行过程中可能会遭受飞鸟或则弹丸破片等外部动态荷载的超高速冲击，对航空航天材料造成不可预估的损伤，影响其结构的稳定性与安全性[5]。目前在航空材料结构中，多种纤维增强复合材料的应用已经从最开始的次要承力结构渐渐转变为主要承力结构，现代先进航空飞机结构设计的重要一点是复合材料的应用程度。目前，商用航天飞机中复合材料用量占其总体结构重量达到50%以上，带来了显著的减重效果和安全性[6]，如图1所示。
1.2 国内外研究进展
在高速冲击条件下复合材料处在不断变化的高应变率状态，其力学性能表现为动态与准静态下力学性能有着显著区别。虽然在进入21世纪以来国内外已经对碳纤维复合材料的力学性能进行了广泛且深入的研究，但是其中还存在着许多问题需要解决与研究。其主要问题有（1）大部分研究主要集中在准静态条件下，对碳纤维复合材料的各种测试研究，碳纤维复合材料在动荷载作用下的强化机制和力学性能是否与静态下的一致，还有待进一步实验验证；（2）关于动态加载实验装置SHPB，在上百年的时间里虽然进行过发展与更新，但是用其来测试复合材料等新型材料小应变情况下的精度还不太确定，在不同加载应变率下研究复合材料是否对应变率具有敏感性及其变形机制非常重要。以上关于碳纤维复合材料在工程实践中应用的问题需要进一步研究。
因此有必要展开对碳纤维复合材料在高速冲击条件下的动态力学性能测试实验，同时阐明碳纤维复合材料变形机理并建立碳纤维复合材料在高速冲击下的动态本构模型，对于揭示碳纤维复合材料动态响应行为以及基体材料与增强体材料之间的联系性，进一步改进碳纤维复合材料和多种新型复合材料的设计有着一定的参考价值。
2 霍普金森压杆基本原理及应力波基础理论
2.1 霍普金森压杆实验装置
霍普金森压杆实验装置主要有主要由撞击杆、入射杆和透射杆组成，再配以气压驱动装置和数据采集设备。霍普金森压杆实验装置示意图如图7所示。发射装置内为压缩氮气，通过调节放气压力的大小可以实现控制子弹的发射速度。下面介绍后续用于霍普金森压杆实验的压杆系统以及信号收集测量系统。
2.1.1压杆测量系统
一般情况下，霍普金森压杆中三个弹性杆都是由材质完全相同的金属材料制作而成的，三个弹性杆成水平同轴心放置，每套霍普金森压杆装置中三个弹性杆必须保持直径一致。实验前，将试件夹持在入射杆和透射杆中间，并保持和入射杆、透射杆同轴心。本文进行实验时，采用直径为37mm的霍普金森杆压杆装置，关于压杆材料以及尺寸参数如表1所示。
2.2 霍普金森压杆基本原理
霍普金森压杆实验中，其原理是通过测量粘贴在压杆上的应变片反应被测试件的应力应变关系。当子弹以一定速度撞击入射杆，就会在入射杆中产生一个沿着入射杆方向传播的弹性波，由于实验过程中压杆的材料、直径等材料参数均相同，所以他们具有相同的波速以及波阻抗。但是试件材料的属性以及尺寸参数与压杆均不相同，所以当入射波传播至试件与入射杆的接触面时，由于二者的波阻抗不相匹配，在此处会再形成两个弹性波，一个沿入射杆反向传播形成反射波，一个透过试件经过试件与透射杆接触面沿透射杆方向传播形成透射波。一维应力波理论是分离式霍普金森压杆测试试件力学性能的主要理论依据，依据此理论可侧面得到试件在变形过程中两端面的荷载及位移过程。采用粘贴在入射杆和反射杆等上的应变片采集并记录入射波i、反射波r、透射波t，再依据应力波理论，便可计算出试件的应力应变关系。
霍普金森压杆可看做为一种线弹性杆，其实验原理是基于如下两个基本假设：（1）一维应力波假设：当入射波波长远比杆直径大时，杆的横向惯性导致弹性波的弥散效应忽略不计，即应力波在传播过程中始终保持单向一维应力状态。（2）均匀性假设：由于加载时间远长于波在试件中的传播时间，从而可以忽略波在试件内部的传播，即认为试件中应力和应变沿长度均匀分布。
假设实验时试件与两杆的位置如图11所示，试件左端与入射杆接触面设为A面，试件右端与透射杆接触面设为B面，实验中试件在两接触面处质点的速度分别设为v1、v2。设两压杆材料相同，其弹性模量、圆截面面积以及应力波波速分别为E、A0、c0，同时假设被测试件长度与横截面面积分别为ls、As。推倒过程中统一规定压为正，速度沿轴线向右方向为正。
3 碳纤维树脂基复合材料力学性能及变形机理研究 .................................. 19
3.1 引言 ........................................... 19
3.2 复合材料动态压缩实验 ................................. 19
4 碳纤维树脂基复合材料本构方程研究 ............................. 29
4.1 复合材料本构关系研究进展 ................................... 29
4.2 本构方程建立 ........................................ 29
5 三维机织复合材料的SHPB实验数值模拟 ........................... 34
5.1 引言 .................. 34
5.2 宏观结构仿真模型及损伤判据确定 .................... 34
5 三维机织复合材料的SHPB实验数值模拟
5.1 引言
三维机织碳纤维复合材料在压杆高速冲击压缩条件下，其力学性能及力学行为往往与常见单一材料不同，所以仅采用实验以及理论方法对其进行研究还远远不足，通常还需要将数值仿真与实验相结合来探究这一复杂的问题。单就本文研究的三维机织碳纤维复合材料而言，其结构错综复杂，在经向（1方向）与纬向（2方向）上碳纤维呈束状交错互联起来，z向（3方向）也存在大量碳纤维束进一步深入加强缠绕，同时整个结构还有树脂基体填补其中空缺，使整体结构完整紧固；其损伤模式复杂，一般包括：基体开裂，纤维断裂、纤维与基体界面脱落和分层等[72]。由于三维机织复合材料存在这些复杂性，所以对其进行数值仿真建模较为复杂，一般对其建模形式有：微观[73]、细观[74]和宏观[75]。宏观模型的建立忽略了碳纤维束之间交错捆绑以及内部空间穿插方式等因素，对三维机织碳纤维复合材料进行宏观整体建模时，虽然整体模型精度低于细观模型，但整体建模对于还原实验过程、验证实验结果有着重要的作用。因此，本章采用数值仿真软件LS-DYNA对三维机织复合材料进行宏观建模，并研究其在SHPB实验过程的力学响应。
6 结论与展望
6.1结论
本文采用霍普金森压杆实验技术，完成了三维机织碳纤维复合材料的动态力学性能测试，包括三维机织碳纤维复合材料三方向（经向、纬向、z向）的动态压缩实验，在不同加载方向上通过设置不同应变率，研究了应变率对三维机织碳纤维复合材料的力学行为的影响，对实验后试件破坏特征进行理论研究。同时，采用仿真软件LS-DYNA对实验过程进行仿真还原，分析其内在破坏机理以及验证实验的准确性。主要结论如下：
（1）采用传统的直径为37mm霍普金森压杆实验装置，完成了不用加载方向以及不同应变率下三维机织碳纤维复合材料动态压缩实验，通过三波法处理实验数据，得到了试件的应变率-时间、应力应变曲线等力学关系。通过对比分析发现试件的1方向和2方向上压缩强度约440-470MPa之间，随着应变率的增加压缩强度增加小于5%以下；而试件在3方向上压缩强度约为520-630MPa之间，随着应变率的增加，其压缩强度增加远超5%以上。表明三维机织碳纤维复合材料在经向（1方向）和纬向（2方向）对应变率敏感性较低，而在z向（3方向）对高应变率敏感性较高。
（2）通过理论分析，采用ZWT本构模型对三维机织碳纤维复合材料动态压缩实验数据进行拟合，得到了不同加载方向、不同应变率下的试件带有七个参数的动态本构方程，其拟合结果与实验结果匹配良好。
参考文献（略）
