三维编织复合材料力学性能的实验研究

本文考察了三维编织方法的发展历史及应用背景,针对不同的编织方法,研究了所产生的编织复合材料基本“单胞”结构,以及不同编织参数对复合材料构件基本力学性能的影响,着重比较研究了二步法及四步法所形成构件与层合板构件的结果。采用反射光弹技术考察了编织复合材料的孔边应力集中现象,得到了有益的结果。本文针对三维立体织物的特点,研究使用了RTM成型工艺,得到了较好的编织试验件。     

三维四步法编织复合材料结构的计算机仿真

针对三维四步法编织技术特点,分析了编织纱线的空间位置,通过计算机模拟编织纱线运动,并采用Bézier曲线对纱线运动轨迹进行拟合,利用计算机图形技术对三维编织结构进行显示,获得了一种设计与实现三维四步法编织复合材料的计算机仿真方法.根据编织工艺参数间的关系,在UG软件中实现了参数化设计,可方便生成不同编织尺寸和编织角情况下的三维编织预制件及复合材料的实体模型,所建立的实体模型形状和编织物真实结构非常接近,表明本文的仿真方法具有很好的效果.     

三维编织复合材料拉抻性能研究

三维编织复合材料作为一种高级的复合材料，抗分层、耐冲击能力强。本文用真空辅助ＲＴＭ（树脂传递模塑）工艺合成了四步法３×２编织的复合材料试件，通过实验测定了三维编织复合材料未切割、受切割和钻孔试件的拉伸性能，对比了受切割和未切割纤维对于试件侧边拉伸应变的影响，测定了孔边应力集中系数，并且讨论了影响四步法复合材料拉伸性能的因素和断裂失效的原因。结果表明，随着编织角的增大，拉抻模量和拉伸强度减小；受切割和钻孔的试件拉伸性能低于未加工试件的性能；四步法复合材料的孔边应力集中系数比层板材料和金属材料的低；三维编织复合材料的拉伸失效主要是由纤维断裂以及纤维拉拔造成的。     

三维编织复合材料力学性能的杂交应力元法

应用非协调多变量有限元法和均匀化理论,提出了三维编织复合材料力学分析的新方法,发展了非协调位移元和杂交应力元,模拟了三维编织复合材料的有效力学性能.与实验值相比,杂交应力元法的结果比文中提及的其他数值方法的结果好,并且对于典型的四步法编织复合材料给出了一些算例和应用.     

三维编织复合材料力学性能分析与预估

本文用细观力学的方法对四步法１：１编织复合材料的力学性能进行了详细研究，导出了它的宏观平均力学性能与编织结构参数、基体和纤维性能的关系，并进行了实验验证，可以用它预估编织复合材料的宏观平均力学性能，作为编织复合材料结构分析的依据。     

三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理

通过真空辅助树脂传递模塑成型技术，制备了三维多层缠绕编织、三维五向面芯编织和三维七向编织3种不同三维编织复合材料圆管。系统分析了三维编织复合材料圆管的纱线轨迹，分别开展了准静态轴向压缩试验，研究了不同编织工艺对三维编织复合材料圆管的压缩承载、破坏模式及吸能性能的影响。结果表明：不同编织结构圆管的轴向承载能力和破坏机制存在显著差异。三维多层缠绕编织圆管的环向纱体积含量较高，能有效承担轴向载荷，其轴向承载能力明显高于其余两类编织圆管。但由于纤维间载荷传递性能较弱，易发生脆性破坏，导致吸能效果最差。而三维五向面芯编织和三维七向编织圆管具有紧密交织的纱线结构，径向编织纱能有效限制剪切裂纹扩展，从而引发渐进稳定的开花式破坏，此类破坏具有较好的吸能特性。三维五向面芯编织圆管纤维断裂更加充分，吸能效果最为优异。     

基于光纤光栅的编织复合材料多点热应变监测

为研究三维编织复合材料的热特性，本文利用编入编织复合材料结构的光纤Bragg光栅传感器来测量其内部多点热应变。为消除光栅自身温度受温度的影响，本文提出了用另一个自由状态光纤Bragg光栅对其进行温度补偿的方法。通过实验获得了编织复合材料的热应变与温度关系曲线。实验结果表明，碳纤维／环氧树脂三维编织复合材料结构的编织角较小时，在编织方向上的热膨胀率为负。     

三维四向整体编织碳/环氧复合材料圆锥壳体的外压稳定性研究

本文给出了两个三维四向整体编织碳/环氧复合材料圆锥壳体临界外压的试验结果，进一步验证了三维四向整体编织复合材料壳体临界外压计算方法，计算结果与试验结果相符较好，计算时试验修正系数可取0.8。     

三维编织复合材料细观结构的几何学分析

对四步法1：1编织过程及编织结构进行了详细几何学分析，完善了基元、面元和柱元的几何模型；导出了平均纤维体积比与编织工艺参数之间的关系等，并得到实际验证。可供编织复合材料结构力学性能分析与预估使用。     

编入碳纤维编织复合材料的光纤光学性能实验研究

三维编织复合材料是当前先进复合材料领域研究的热点并已开始广泛应用于航空航天等许多领域.三维编织复合材料具有很多优点,但这种材料的性能也较复杂.文中提出一种研究三维编织复合材料性能的新方法,也即将光纤传感器多个编入编织复合材料实现编织智能复合材料,以监测三维编织复合材料的RTM工艺过程,研究其力学性能及监测其在使用过程中的健康状况.对于光纤传感器而言,光纤的光学性能的好坏同光纤传感器的性能密切相关,因此,着重通过实验提出了一种光纤编入三维编织复合材料的方法并对光纤编入材料前后及编入后随材料进行RTM固化前后的光学性能进行了测试对比研究.     

用人工神经网络模拟三维编织复合材料的力学性能

三维编织复合材料由于其材料结构及编织工艺的复杂性和众多工艺参数的影响，目前尚未建立成熟的力学模型。本文采用人工神经网络ＢＰ算法，将编织工艺参数作为人工神经网络的输入，将弹性模量及强度性能作为输出，建立了编织工艺参数与力学性能的人工神经网络关系模型，并讨论了ＢＰ算法及网络结构。这种人工神经网络关系模型对于三维编织复合材料的实验、生产和应用。工艺参数的选取以及理论模型的研究都有重要的参考价值。本文最后     

三维四向编织复合材料疲劳性能分析

建立基于八边形纤维束截面假设的三维四向编织复合材料单胞模型。基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型。利用ABAQUS有限元软件UMAT开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了三维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命。研究表明,疲劳损伤是从纤维束之间的接触面的单元开始发生损伤破坏,然后向纤维束表面以及纤维束内部开始扩散,并且损伤扩展速率随着应力水平的提高而加快。本文研究为预测三维四向编织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径。     

三维机织复合材料的细观力学分析

建立了一种三维机织复合材料的细观力学模型。模型包括两相：一相为纤维束，另一相为基体材料或横向的纤维束。该模型考虑了纤维束弯曲所引起的附加剪切。讨论了根据织造参数确定机织复合材料细观结构的方法。将上述理论用于一种实际的碳／环氧三维机织复合材料的分析，研究了细观应力分布的特点，并用平均化方法得到了材料宏观的模量，分析结果与试验数据吻合良好。     

三维编织复合材料圆柱壳的热后屈曲分析

通过研究三维圆型编织中所形成的空间纱线交织结构的特征,给出了改进的三细胞结构单胞模型,通过单胞的组装和变换,得到编织预制件的整体力学性能模型.基于Reddy高阶剪切变形理论,导得广义Kármán型大挠度方程,计及边界层效应,采用奇异摄动法,考虑非线性前屈曲、大挠度和初始几何缺陷的影响,给出三维四向编织复合材料圆柱壳在均匀热分布作用下的严格满足边界条件的大挠度渐近解,讨论了纤维体积含量、编织角和几何参数等因素对圆柱壳屈曲和后屈曲行为的影响.     

平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的模拟和分析

通过对平纹编织C/SiC复合材料SEM照片精确测量,获取了纤维束的几何参数,并以四参数正弦函数为拟合方程,得到了RVE的建模曲线方程,并建立了RVE的三维有限元模型。采用间接耦合的降温法,模拟计算了C/SiC复合材料的轴向热残余应力,其计算结果与理论值接近;并分析了制备温度以及纤维体积含量对热残余应力的影响。     

三维五向矩形编织复合材料的细观结构模型

分析了三维五向矩形编织工艺携纱器的运动规律,基于映射思想研究了纱线的空间走向及规律.经分析内部区域编织纱及轴纱的空间挤压交织关系,建立了能有效反映其纱线空间构型特征的三维实体细观结构模型.根据3单胞划分思想,提出了平行于材料边界方向的单胞几何模型,建立了编织工艺参数和模型宏细现结构参数的关系.模型数值结果与试件实测数据基本吻合,证明了该模型合理、有效.     

关于复杂自由曲面类构件铺放成形对刀策略

针对基于复杂自由曲面类构件的复合材料铺放成形技术领域中的对刀问题展开研究工作,对刀的策略和精度是判断构件模具制造精度和决定复合材料铺放成形质量的关键因素。借助设置在铺放头压辊处的激光测距探头,通过对位于模具上不同位置对刀点或校验点的探测,进行模具制造精度校核和对刀精准性判断。基于激光测距探头所探测数据,提出了针对一次性低成本模具和高精度可复用模具对刀点的设置方法以及对刀策略,利用该对刀策略进行翼身融合体的铺放成形实验进行验证,实验表明该对刀策略可有效解决复杂自由曲面类构件的复合材料铺放成形的对刀问题。     

三维编织钢纤维增强渍浆混凝土的受压力学性能

三维编织钢纤维增强渍蒙混凝土(3-D braided steel fiber reinforced concrete,3-D-BSFC)是用新工艺研制出的一种纤维三维定向增强混凝土.本文设计优选了3-D-BSFC材料的原材料与配合比,成功制备出不同纤维不同体积含量的3-D-BSFC试件,研究了其受压力学特性及钢纤雏体积率和纤维类型的影响规律.结果表明,三维编织钢纤维能显著提高基体混凝土的强度及韧性,分别提高3倍和2倍以上,同时改善了其变形能力;BSFC的破坏表现出明显的延性破坏特征,最大纵向压缩量可达20%左右.     

含冲击损伤复合材料油箱口盖剩余强度研究

利用全程分析方法对冲击后复合材料油箱口盖进行剩余强度研究。该方法基于三维累积损伤理论,对于复合材料油箱口盖的冲击过程以及冲击后含损伤构件在压缩载荷下损伤扩展的全过程进行数值分析。冲击模拟是显式求解过程,利用LS-DYNA完全重启动方法把显式求解得到的冲击变形及损伤数据传递到非线性静态剩余强度仿真模型中,以达到对于冲击后的损伤保留并进行轴向压缩模拟的目的。研究了冲击速度、冲击位置以及肋板位置对油箱口盖抗冲击性能的影响,并改变肋板位置对口盖结构进行耐冲击优化设计。计算结果表明外口盖对整体油箱口盖起到了防护作用。     

纤维增强陶瓷基复合材料热结构综合强度与渐进损伤分析方法研究

针对纤维增强陶瓷基复合材料热结构力学性能特点,基于Tsai-Wu强度准则,提出了一种适用于纤维增强陶瓷基复合材料热结构综合强度分析的三维实体型渐进损伤分析方法;基于ANSYS软件APDL语言完成了分析方法的程序开发和实现,并通过与文献经典算例及典型热结构强度试验结果的对比分析,验证了本文方法的合理性和正确性。研究结果表明:本文方法可有效分析和预示纤维增强陶瓷基复合材料热结构的承载能力和损伤失效形式,具有很高仿真分析精度,解决了力热综合条件下复杂热结构强度预示与渐进损伤分析评估技术难题。