2.5维机织复合材料细观几何模型及刚度预测方法研究进展

本文从2.5维机织复合材料细观几何结构出发,讨论了织造及成型工艺对材料实际细观几何结构的影响,并分析了不同纱线截面及路径假设所建立代表性体积胞的优缺点。对考虑工艺因素的代表性体积胞是否具有统一性和体素单元法建模的合理性做出对比分析。在代表性体积胞的基础上,重点讨论了2.5维机织复合材料刚度的数值预测方法,并将其与刚度的理论预测方法作了简单对比。基于刚度的数值预测方法,分析了各种机织参数对刚度系数的影响,并且对比了不同代表性体积胞模型的应力场。此外,还讨论了2.5维机织复合材料叶片的建模分析技术与刚度设计方法。最后,指出了当前2.5维机织复合材料细观建模及刚度预测方法存在的问题与不足,并且对其力学性能研究的发展趋势进行了展望。     

三维机织复合材料的一个细观力学模型

根据三维机织复合材料中细观几何和变形的周期性,提出了一种反映细观周期约束条件的组合梁单元模型,该模型既考虑了纤维束的偏轴拉压效应,又考虑了纤维束的弯／剪耦合效应和纤维束之间的相互作用,可以描述纤维束和基体中的细观应力分布。针对一种典型的三维机织复合材料,研究了根据编织参数确定材料细观结构的方法,在此基础上选取材料中最小周期的一段纤维束作为分析胞元,用上述模型分析了面内拉伸荷载下胞元中各相材料的细观应力,进而得到材料平均的宏观模量。材料试验和二维细观有限元分析证明了本模型的可靠性。研究表明,三维机织复合材料中,纤维束拉、弯耦合效应引起的细观应力在应力分析中不可忽略。     

一种新的三维四步编织复合材料几何模型及其在宏观弹性性能预测中的应用

 为了准确预测三维四步(1×1)编织复合材料的宏观弹性常数，提出了一种考虑纤维束三维几何结构和纤维束与基体相互作用、便于有限元网格划分的单胞几何模型，该模型精确地反映了纤维体积比。以该几何模型为基础，用六面体单元分别对纤维束和基体进行了网格划分，满足了纤维束与基体界面间的位移连续条件。采用有限元模型计算了编织复合材料的宏观弹性常数，与其他计算结果和实验结果的比较表明，该几何模型和有限元模型比较合理。     

基于导热性能的复合材料微结构拓扑优化设计

基于均匀化理论和拓扑优化技术,提出了复合材料稳态导热性微结构构型的设计方法。根据均匀化理论给出的周期性材料微结构(单胞)等效导热系数的计算公式,结合有限元分析手段对单胞的等效导热系数求解;定义设计区域内微结构每个单元的导热系数为伪密度设计变量,约束材料用量,分别以材料微结构某个方向导热性能最好为目标和宏观结构的散热性能最佳为目标;采用实体各向同性惩罚函数法(SIMP)构造单胞拓扑结构优化数学模型,导出材料等效导热系数的灵敏度计算公式;采用凸规划对偶求解与周长控制约束相结合进行拓扑优化并获得了优化的微结构构型,数值算例结果验证了所提出的拓扑优化方法可以有效地进行复合材料微结构的导热性能设计。     

正交各向异性材料的三维弹塑性分析

本文根据Hill屈服准则以张量形式推导出正交各向异性材料的弹塑性刚度,并进而导出在三维和二维情况下对应的弹塑性刚度矩阵的显表达式。所得到的公式在形式上与各向同性材料的弹塑性刚度矩阵十分类似。所以。根据本文的公式,用有限元求解时,就能很方便地将现有的各向同性体弹塑性分析的实用程序改换为正交各向异性体弹塑性分析的实用程序。作为例子,选择了一个非线性有限元通用程序,用本文公式在其三维元素的材料库中建立了新模块,并就三维悬臂梁进行了计算。     

2.5维机织复合材料疲劳寿命预测方法

针对疲劳载荷作用下的2.5维机织复合材料,建立了疲劳寿命预测方法.该方法主要包括单胞模型、疲劳失效判定准则和材料性能退化方法3部分.选取单胞模型为研究对象,利用三维有限元技术进行应力分析;引入改进的三维Hashin疲劳失效准则和Mises准则作为纤维束和树脂基体的疲劳失效判据;采用刚度性能突降准则描述疲劳失效后的材料性能,采用考虑纤维体积分数影响的剩余刚度和剩余强度退化模型描述失效前材料的性能.通过疲劳寿命预测值与试验值的对比,验证了疲劳寿命预测方法的有效性.研究表明:经向拉-拉疲劳寿命随经纱纤维体积分数增大而增加,纬向拉-拉疲劳寿命受纬纱纤维体积分数影响较小.      

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。     

三维四向编织复合材料的弹性性能预测研究

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征,提出了改进的三细胞模型,该模型包含内部单胞、两种表面单胞以及棱角单胞四类结构,考虑了各类单胞中纤维束的空间结构,并引入平均纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响.基于刚度平均化方法建立了相应的刚度预测模型,得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数.与实验结果的对比表明,计算结果的预测精度较好.最后讨论了编织角和纤维体积分数对材料等效弹性性能的影响.      

基于一种新的均匀化实施方法的FRP刚度预测

基于一种新的渐近均匀化(AH)实施方法,预测并讨论了单向纤维增强复合材料(FRP)的宏观等效弹性性能及纤维排列方式对等效力学性能的影响。该方法方便地将有限元分析(FEA)软件作为一个工具箱使用,只需在单胞上施加简单位移周期边界条件开展静力学分析,即可经过简单计算得到等效弹性常数,相比传统均匀化实施方法显著降低了实施难度并简化了计算过程。通过对比不同数值方法的结果验证了该方法的有效性和精确性。数值结果表明:六边形排列下单向纤维增强复合材料呈现横观各向同性,而正方形排列下则呈现宏观正交各向异性,经过刚度平均化过程可得到横观各向异性材料性质,纤维体积含量对两种排列方式下材料等效弹性模量影响显著但有所差别。     

一种平纹编织复合材料的三维通用单胞模型

为了解决采用通用单胞(GMC)方法开展编织复合材料多尺度模拟的技术难题，发展了一种三维通用单胞模型，可用于二维平纹编织复合材料的多尺度模拟。概述了三维通用单胞方法的基本理论和求解流程；基于对二维平纹编织复合材料细观结构特征分析，建立了其三维通用单胞模型，并通过与传统有限元单胞模型的宏细观力学响应分析计算结果对比，验证了所建模型的正确性。采用基于通用单胞模型的有限元多尺度模拟方法，开展了二维平纹编织复合材料平板试件的模态分析。与试验结果对比表明，采用所建立的通用单胞模型预测得到的前五阶固有频率绝大部分的精度较传统有限元方法有了明显提升。该方法的优势在于可以基于通用单胞模型开展多尺度模拟，进而研究宏细观力学响应的相互关联。      

混合机织复合材料低速冲击损伤有限元分析

将二维机织碳布和单向碳布预浸料按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点.采用基于三维非协调层合元的动力学有限元分析方法,对由二维机织缎纹碳布和单向碳布混合铺设而成的复合材料层合板进行了低速冲击有限元计算分析.针对二维机织碳布的特殊力学性质,提出了修正的分层扩展判据,建立了低速冲击损伤面积的分析方法.在不同冲击能量下,针对不同铺层结构和厚度的计算结果与试验结果皆吻合的很好.分析结果表明,由于分层破坏机理不同,加入机织铺层后能够有效降低低速冲击导致的分层损伤.     

Damage Simulation for 3D Braided Composites by Homogenization Method

 In order to study the failure patterns and strength of 3D braided composites from the microscopic view, the damage propaga-tion under tensile loading steps in three kinds of unit cells is simulated. The homogenization formula of micro-stress and the solving approach of finite element method are given firstly. A criterion is presented to determine the damage and its pattern of each element, and then the stiffness degradation method based on Murakami’s geometric damage theory is used to simulate the status of damage under tensile loading steps for three kinds of unit cells. It can be seen that the damage percentage and damage pattern of damaged unit cell are totally different for different kind of unit cells. More damaged elements are observed for face cell and corner cell than that for body cell. It is also observed that the damage firstly occurs at the area of face cell, which agrees well with experimental results. It is verified that considering the effects of face and corner cells are important for the damage and strength analysis of 3D braided composites.     

A method of determining effective elastic properties of honeycomb cores based on equal strain energy

A computational homogenization technique (CHT) based on the finite element method (FEM) is discussed to predict the effective elastic properties of honeycomb structures. The need of periodic boundary conditions (BCs) is revealed through the analysis for in-plane and out-of-plane shear moduli of models with different cell numbers. After applying periodic BCs on the represen-tative volume element (RVE), comparison between the volume-average stress method and the boundary stress method is performed, and a new method based on the equality of strain energy to obtain all non-zero components of the stiffness tensor is proposed. Results of finite element (FE) analysis show that the volume-average stress and the boundary stress keep a consistency over different cell geometries and forms. The strain energy method obtains values that differ from those of the volume-average method for non-diagonal terms in the stiffness matrix. Analysis has been done on numerical results for thin-wall honeycombs and different geometries of angles between oblique and vertical walls. The inaccuracy of the volume-average method in terms of the strain energy is shown by numerical benchmarks.     

一种基于有限元法和弹性接触理论的齿轮啮合刚度改进算法

提出了一种将有限元法和弹性接触理论相结合的齿轮啮合刚度计算方法.该方法利用子结构法提取齿面原始柔度矩阵并分离出接触点弯曲变形,根据线弹接触变形解析公式计算接触变形,通过求解非线性变形协调方程得到齿轮时变啮合刚度和齿面载荷分布.以一对齿轮副为例,计算的啮合刚度与航空标准计算结果相差在6%以内.该方法发挥了有限元法在预测物体整体变形方面的优势,同时结合弹性接触理论能够准确计算局部接触变形的优点,与常规有限元法相比,能够有效地提升计算效率.由于接触变形问题的非线性,啮合刚度随总啮合力增加呈现非线性增大的趋势.      

考虑孔隙的三维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法

提出了利用气孔单元并考虑基体孔隙随机分布来预测三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的方法.通过工业computed tomography(CT)扫描技术测得孔隙率,在胞元模型中利用Monte-Carlo仿真技术在基体上随机投入气孔单元来模拟三维编织陶瓷基复合材料中的孔隙,利用胞元有限元模型计算了孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的影响规律.结果表明:①孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数具有明显的影响;②对给定的孔隙率,孔隙的位置分布对沿纤维束方向弹性模量的影响较小;③随着孔隙率增加,沿纤维束方向弹性模量降低.同时,开展了SiC/SiC复合材料的室温拉伸试验,弹性模量计算值和试验结果吻合较好,表明该方法可以用来预测含孔隙的三维编织陶瓷基复合材料的弹性常数.      

复合材料层合板低速冲击响应的有限元分析

针对低速冲击作用下的复合材料层合板,采用冲击接触定律、失效准则和材料性能退化技术,建立了冲击的三维有限元模型。利用所建的模型对层合板的冲击过程进行分析,并将有限元分析结果和试验结果进行了比较,验证了本文所建模型的正确性,同时分析了层合板在不同冲击速度时的响应。     

2.5D C/SiC复合材料带孔板拉伸破坏的多尺度模拟

为了研究2.5D编织陶瓷基复合材料带孔板的拉伸破坏行为,提出一种可以模拟带孔板细观破坏过程的多尺度计算方法。该方法根据2.5D编织陶瓷基复合材料的细观结构建立细观模型,通过子模型法将平板的宏观有限元模型和孔周围区域的细观有限元模型耦合在一起,然后采用渐进损伤计算方法完成带孔板破坏的多尺度模拟。计算结果表明,带孔板在拉伸载荷较低时出现初始损伤,随着载荷的加大经纱发生轴向拉伸破坏,纬纱发生横向的破坏。裂纹从孔边沿横向扩展至板的两端,最终整个板完全断裂失效。失效时的应变为0.375%,最大加载应力为221.7MPa。