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。     

三维纺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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

2.5维编织复合材料弹性性能的理论研究

以2.5维编织复合材料细观几何结构的深入研究为基础,详细分析了其单元体模型。采用圆形纤维束截面和经纱沿正弦曲线分布的假设,建立了基于刚度平均的2.5维编织复合材料弹性性能分析预报模型,并采用M atlab编程用于计算该类材料的力学性能。在材料经向纱线密度不变的情况下,预测了弹性性能随纬向纱线密度的变化规律。通过理论计算结果与实验值对比,验证了该方法的正确性。     

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     

Effective Thermal Conductivity for 3D Five-Directional Braided Composites Based on Microstructural Analysis

A method for predicting effective thermal conductivities(ETCs) of three-dimensional five-directional(3D5D) braided composites is presented. The effective thermal conductivity prediction method contains a digital image processing technology. Multiple scanning electron microscopy(SEM)images of composites are analyzed to obtain actual microstructural features. These actual microstructural features of 3D5D braided composites are introduced into representative volume element(RVE) modeling. Apart from applying actual microstructural features,compression effects between yarns are considered in the modeling of RVE,making the RVE more realistic. Therefore,the ETC prediction method establishes a representative unit cell model that better reflects the true microstructural characteristics of the 3D5D braided composites. The ETCs are predicted with the finite element method. Then thermal conductivity measurements are carried out for a 3D5D braided composite sample.By comparing the predicted ETC with the measured thermal conductivity, the whole process of the ETC prediction method is proved to be effective and accurate,where a relative error of only 2.9 % is obtained.Furthermore,the effects of microstructural features are investigated,indicating that increasing interior braiding angles and fiber fill factor can lead to higher transverse ETCs. Longitudinal ETCs decrease with increasing interior braiding angles,but increase with increasing fiber fill factor. Finally,the influence of variations of microstructure parameters observed in digital image processing are investigated. To explore the influence of variations in microstructural features on variations in predicted ETCs,the actual probability distributions of microstructural features obtained from the 3D5D braided composite sample are introduced into the ETC investigation. The results show that,compared with the interior braiding angle,variations in the fiber fill factor exhibit more significant effects on variations in ETCs.     

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。     

航空发动机陶瓷基复合材料疲劳迟滞机理与模型研究进展

对陶瓷基复合材料疲劳迟滞机理与模型的研究进展进行综述。首先,简要回顾了陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用情况,综述了单向、铺层和编织陶瓷基复合材料细观疲劳失效模式与疲劳迟滞机理。总结出纤维增强陶瓷基复合材料基本的细观失效模式是:基体裂纹、纤维/基体界面脱粘和纤维断裂、铺层陶瓷基复合材料中的铺层/铺层界面脱粘以及编织陶瓷基复合材料中的纱线/纱线界面和纱线/基体界面脱粘。脱粘后的各类界面在循环载荷下的界面滑移是导致疲劳迟滞行为的根本原因。然后,详细分析了陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为力学建模研究历史与现状,指出了其中存在的问题。最后,对陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为研究的发展趋势进行了展望。     

基于节点插值子胞模型的纺织复合材料力学性能预测(英文)

节点插值子胞模型是一种通过虚位移原理和代表性体积单元建立宏观和细观应变之间关系的细观力学方法。采用节点插值子胞模型进行二维纺织纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能预测。分别建立二维平纹和交叉编织复合材料单胞的细观结构分析模型,分别采用三次B样条和正弦曲线来模拟经纱和纬纱的截面和弯曲形式,并根据纤维和基体中的孔隙含量对其模量进行折减,采用节点插值子胞模型进行宏观力学性能预测,并分析了细观结构参数和纤维体积含量对材料力学性能的影响。节点插值子胞模型的预测结果与有限元法比较表明:采用节点插值子胞模型进行二维平纹和交叉编织陶瓷基复合材料力学性能预测的有效性和可行性。     

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。     

DAMAGE MECHANISM ANALYSIS OF 2D 1× 1 BRAIDED COMPOSITES UNDER UNIDIRECTIONAL TENSION

Coupling with the periodical displacement boundary condition, a representative volume element （RVE） model is established to simulate the progressive damage behavior of 2D 1×1 braided composites under unidirection- al tension by using the nonlinear finite element method. Tsai-Wu failure criterion with various damage modes and Mises criterion are considered for predicting damage initiation and progression of yarns and matrix. The anisotropic damage model for yarns and the isotropic damage model for matrix are used to simulate the microscopic damage propagation of 2D 1×1 braided composites. Murakami＇s damage tensor is adopted to characterize each damage mode. In the simulation process, the damage mechanisms are revealed and the tensile strength of 2D 1 × 1 braided composites is predicted from the calculated average stress-average strain curve. Numerical results show good agreement with experimental data, thus the proposed simulation method is verified for damage mechanism analysis of 2D braided composites.