三维四步编织复合材料单元胞体几何模型

概述了三维四步(1×1)编织复合材料几何模型的研究进展,分析了三维四步正规编织过程中纤维束的运动路径及交织方式,提出了一种三维实体单元胞体几何模型,研究了三维编织复合材料单元胞体的几何性,并讨论了纤维束的挤压条件.和传统的几何模型比较,该模型体现了纤维束的连续性,使得各单元胞体之间合理地组装,保证了复合材料整体结构的完整性.     

三维四向编织复合材料结构模型的几何特性

建立合理的三维编织复合材料结构模型,对其力学性能的有限元计算结果具有重要影响.以成型后的三维四向编织复合材料为研究对象,在实验观察和以往研究的基础上,提出了一个新的有限元胞体结构模型,该模型正确地反映了纤维束的交织方式,更符合三维四向编织复合材料的实际细观结构.基于该单元模型推导了编织参数与结构模型参数之间的几何关系,计算了胞体中纤维体积比并讨论了其几何特性.研究结果表明:当纤维束中的纤维丝根数和纤维束半径,以及纤维体积含量一定时,编织物的花节长度和厚度随着纤维编织角的增大而分别减小和增大,三维四向编织复合材料结构的纤维体积比理论上可以达到68%.      

基于理想界面的均匀化方法

评述了分析单向纤维增强复合材料及纺织复合材料宏观等效弹性性能的有代表性的力学模型,指出了各力学模型的特点.针对经典力学模型分析结构复杂的纺织复合材料的力学性能的局限性,直接从组分相的本构方程出发,分别将应力、应变张量在相间界面分解成互相正交的2个部分:面内分量和面外分量. 在理想界面条件下,考虑了纤维与基体的相互作用,建立了基于理想界面的均匀化方法.选取CCA模型分析了单向纤维增强复合材料的弹性性能,得到了满意的结果.     

纺织结构复合材料强度性能的研究

考究了由两种不同纺织结构制备的碳繁华只物／环氧树脂复合的制备方法及强度性能，探讨了复合材料强度与织物结构参数－纤维取向之间的关系，导出了计算纺织结构复合强度公式，其估算值与实测值吻合。     

纺织结构复合材料的细观力学分析

纺织结构复合材料细观力学分析中的若干基本问题是单层几何特性的描述，单元体细观结构的模型、应力应变假设以及强度分析等。对前人在前三个问题上已进行的研究工作作出扼要的回顾，并介绍其当前的技术发展动态，针对这些研究工作中存在的不足之处和未来的发展，提出几点意见。     

面向空间天线的TWF复合材料性能研究

利用碳纤维三向编织物（triaxial woven fabric，TWF）作为增强材料，与柔性基体材料硅橡胶复合，制成兼具一定柔性和刚性的复合材料壳膜结构，用于卫星天线反射器，是一种新型的高精度可展开天线实现方案。采用复合材料细观方法，对碳纤维增强硅橡胶TWF复合材料进行了力学性能的研究。首先由纤维和基体的材料特性得到均质纤维束的材料特性；接下来考虑纤维束交织情况（起伏波动）建立由纤维束组成的单胞实体有限元模型；然后对单胞实体有限元模型进行均匀化分析，施加周期性边界条件，最终得到等效的均质材料特性；为满足天线反射器高性能需求，分析了碳纤维种类、纤维体积分数对单胞等效性能的影响规律。对该材料力学性能的研究，可以为其未来应用于大型高精度可展开天线反射器提供一定的理论依据。     

卫星桁架结构跨尺度热—力耦合优化设计与分析

卫星飞行过程中,高精度测量设备的复合材料支撑结构经历多种温度环境,影响结构的热稳定性。为对其热学性能进行研究,综合考虑热—力耦合优化设计,首先,发展了复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型。在微观模型中,通过建立代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)模型,由纤维热膨胀系数计算得到单向复合材料热膨胀系数;建立复合材料构件宏观模型,采用微观模型计算得到的热膨胀系数对宏观模型进行分析与计算。为验证复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型的正确性,对复合材料管件的热膨胀性能进行了试验测试,测试结果与数值计算结果具有很好的一致性。其次,对卫星桁架杆件进行热稳定性优化设计与分析,综合考虑管件的热膨胀系数与刚度的约束条件,采用具有二阶收敛特性的共轭梯度法对复合材料构件的铺层进行优化设计,发展了复合材料桁架结构热—力耦合优化设计流程。最后,针对某卫星天线桁架支撑结构进行了定热膨胀系数设计与分析,结果表明采用跨尺度热—力耦合优化设计方法得到的热变形量远小于天线支撑结构给定的指标。该方法可用于卫星复合材料桁架结构热稳定性设计与分析。     

三维四向编织复合材料改进模型弹性性能计算

针对三维四向编织复合材料,在改进的矩形截面单胞模型的基础上,考虑了相邻纤维束之间的界面粘结效应,推导了单胞的几何特性与编织工艺参数之间的数学关系,并且采用ANSYS软件建立了实体有限元模型,得到了等效弹性性能参数;之后,分析了各工艺参数对弹性模量的影响规律.通过有限元计算的材料弹性性能常数与试验数据符合较好,较为真实地模拟了该材料的细观结构,对三维编织复合材料的设计和工艺具有一定的参考价值.      

三维四向编织复合材料弹性性能的有限元预报

在四步法方型三维编织复合材料细观结构单胞模型的基础上,假设纱线具有六边形横截面,应用ANSYS软件,建立了实体有限元模型,该模型表面与预制件表面平行,更加符合三维编织复合材料的实际结构,且有利于力学性能的分析,同时,该模型中还考虑了织物的编织角与内部编织角的几何关系.基于该模型,计算了材料的弹性常数,分析了编织角和纤维体积含量对弹性常数的影响规律.结果表明,数值计算与实验结果吻合较好.此外,还确定了材料内部的应力场分布,为材料的强度预测奠定了基础.      

含孔隙基体缎纹编织复合材料面内压缩弹性性能预报

缎纹编织复合材料细观结构复杂,传统弹性性能预报方法较难适用。针对该问题,建立缎纹编织复合材料代表体积单元(RVE),对RVE模型面内压缩弹性模量和面内泊松比的预报方法进行了研究。分别基于能量法原理和单夹杂理论,对弯曲纤维束纵向压缩模量和含孔隙基体弹性性能进行预报,改进了传统细观力学中的混合率方法,并利用已得的组分材料性能对RVE模型有效面内压缩模量和面内泊松比实现了解析法预报。基于Python语言对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,建立了基体含孔隙的RVE模型,利用RVE模型在基本受力状态下的有限元方法结果实现有效面内压缩模量和面内泊松比的有限元方法预报。基于碳/碳复合材料,解析法与数值法计算结果吻合很好,实现了对缎纹编织材料面内压缩性能的有效预报。      

三维五向编织复合材料弹性性能的数值预报

基于三维五向编织复合材料细观结构模型,通过假设挤压固化后编织纱线和轴纱分别具有六边形和正方形横截面以及分析纱线之间的空间几何关系,建立了该类材料的有限元模型.并且,采用有限元方法计算得到了三维五向编织复合材料的弹性性能,分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响规律,并与三维四向编织复合材料的相应结果进行对比,同现有的实验数据进行了比较,验证了数值预测的有效性.结果表明:三维五向编织复合材料具有良好的力学性能,轴纱的加入使得轴向力学性能得以增强.      

复合材料机翼盒段的设计、模态分析和试验

为了进行机翼盒段结构的模态分析和试验,依据结构相似方法对盒段进行缩比,采用复合材料整体成型技术制造盒段模型,该模型同时实现了结构动力学相似与传力相似.对模型进行了模态分析和试验,两者结果吻合较好.本模型为在低速风洞中实现高速飞机机翼颤振试验奠定了基础.      

混杂纤维复合材料轴向剪切模量的预测

为混杂纤维复合材料有效轴向模量的计算发展了一个能够考虑纤维截面影响的广义自洽模型:即假定各相纤维的共焦点椭圆柱体细观单元嵌在同一宏观上均匀化的复合材料中.利用解析函数的保角变换与罗朗级数展开,获得了相应问题的封闭解.根据复合材料平均应力与应变关系,获得了预测有效轴向模量的形式简单的代数方程.当各相纤维模量相同时,所得方程退化为已有的预测单相纤维复合材料纵向剪切模量的代数方程.     

C/E复合材料螺旋铣孔切屑形状与切削温度研究

碳纤维增强环氧树脂基体(C/E)复合材料具有优异的性能,广泛用于制造飞行器结构件。在加工C/E复合材料连接孔过程中容易出现分层、撕裂等加工缺陷,而切削温度过高是导致加工缺陷的主要原因之一。螺旋铣孔作为新的制孔技术,加工C/E复合材料时表现出许多优于传统钻孔的特点,受到广泛关注。本文采用专用加工装备开展了C/E复合材料制孔试验,利用红外热像仪实时监测切削温度,分析了螺旋铣孔加工参数对切削温度的影响规律。根据螺旋铣孔运动学规律和切削原理,从未变形切屑形状特点入手分析了螺旋铣孔切削温度的来源和影响因素。研究结果可对深入理解螺旋铣孔加工机理、制定合理的螺旋铣孔加工工艺提供依据。     

航空座椅适坠性评估与分析方法

为了研究某航空座椅在坠撞环境下的结构响应特性,针对座椅和假人耦合系统,提出了航空座椅适坠性评估与分析方法。首先根据航空座椅结构特点,提出了合理的模型简化方法,建立了座椅的有限元模型,并将有限元模型和50分位Hybrid Ⅲ型多刚体假人模型耦合。然后按照适航条例规定的通用飞机乘员座椅动态试验方法和资格要求对此乘员座椅系统进行了适坠性仿真分析,在仿真中考虑了客舱地板变形的影响,得到了典型冲击载荷下座椅各部件的变形方式和能量吸收情况,以及假人的各项伤害指标。分析结果表明:在水平冲击环境下,乘员座椅系统受到的损伤更严重;过于刚硬的靠背调节机构会加大椅管梁前端的塑性变形;客舱地板变形加剧了座椅结构破坏,相对于俯仰变形,客舱地板滚转变形造成的破坏更大。为了提高适坠性能,提出了座椅结构的设计改进方案。