摘要
摘要
三维机织复合材料相比于层合复合材料具有更强的面外性能及更强的整体
性，具有广阔的应用前景。但是由于三维机织复合材料复杂的机织结构，使得
该类材料在外载荷作用下的损伤机理也十分复杂，这给三维机织复合材料的设
计和应用带来了困难。通过文献调研发现，目前三维机织复合材料疲劳损伤机
理尚不明确、疲劳性能仿真研究尚不完善。而材料的疲劳失效是工程中绝对不
可忽视的重要问题。所以上述的三维机织复合材料疲劳研究中存在的问题会阻
碍该材料的应用与推广。为此，本文研究了三维机织复合材料在不同工况下的
疲劳失效过程、损伤机理及疲劳性能仿真方法。主要的研究内容如下：
提出了结合同步辐射CT及多种疲劳损伤信息的多信息融合疲劳损伤研究
方法。应用该方法对三维机织复合材料拉-拉疲劳损伤过程展开试验研究。根
据刚度退化及疲劳温升可以将拉-拉疲劳损伤过程分为三个阶段。基于同步辐
射CT，从细观角度观察到了三维机织复合材料在不同疲劳阶段的典型损伤模
式，给出了影响疲劳性能的主要因素。
将所建立的多信息融合的疲劳损伤研究方法应用至三维机织复合材料拉-
压疲劳损伤的研究中。为防止材料在压缩载荷下发生屈曲，并兼顾损伤检测的
需求，设计了一种新型防屈曲装置。研究发现拉-压疲劳损伤过程包含两个阶
段。第一阶段的损伤发展缓慢，该阶段持续时间超过疲劳寿命的95%。成功捕
捉到了两个阶段拐点处的损伤模式，经纱的压缩断裂是造成材料进入第二阶段
并迅速失效的直接原因。
损伤容限设计要求受到低速冲击后的复合材料结构仍具有一定的承载能力
与疲劳寿命。为此，本文开展了三维机织复合材料冲击后疲劳行为研究。给出
了低速冲击对三维机织复合材料静态性能和疲劳寿命影响的规律。应用CT技
术分析了冲击后疲劳损伤发展过程，给出了低速冲击影响疲劳性能的内在机制。
低速冲击降低了材料的整体性，纤维束在疲劳过程中分批断裂，因此，冲击后
材料的疲劳性能明显降低。
以上研究发现界面性能是影响三维机织复合材料疲劳性能的重要因素。为
此，本文提出了一种基于梯形内聚力本构的界面疲劳损伤模型，推导了界面裂
纹扩展速率与模型中界面疲劳损伤速率之间的关系，并充分考虑了疲劳过程中
因应力重分布而产生的附加静态损伤。该模型通过了单元验证与试验验证，并
在三维机织复合材料单胞尺度疲劳仿真中得到了成功应用。
-I-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
建立了三维机织复合材料单胞尺度拉-拉疲劳渐进损伤失效模型。通过几
何重构建立高还原度的单胞模型。采用Puck准则作为纤维束的疲劳损伤起始
判据，采用抛物面屈服准则来表征基体的塑性，纤维束与基体均采用指数形式
的损伤演化模型。应用本文所提出的界面疲劳损伤模型来模拟疲劳过程中的界
面脱粘失效。通过组分材料的准静态试验与疲劳试验来确定模型输入参数。仿
真结果证明该模型可以准确预报三维机织复合材料的准静态性能、疲劳寿命、
以及静态与疲劳载荷下的损伤发展过程。
关键词：三维机织复合材料；同步辐射CT；疲劳损伤机理；冲击后疲劳；界
面疲劳；疲劳渐进损伤模型
-II-
Abstract
Abstract
Comparedwithlaminatecomposites,3Dwovencompositeshavestronger
out-of-planepropertiesandstrongerintegrity,andhavebroadapplication
prospects.However,duetothecomplexweavestructureof3Dwovencomposites,
thedamagemechanismisverycomplex,whichbringsdifficultiestothede