三维机织复合材料纱线观测与细观几何模型

通过对三维机织复合材料细观切片拍照,追踪材料内部纱线各个截面的形状和形心坐标,从而确定三维机织复合材料纱线真实细观形态和轨迹.并据此建立了一个新的三维机织复合材料几何模型,计算了三维机织复合材料的纤维体积含量.结果表明:该模型能够较好地反映三维机织复合材料内部的真实结构,为建立更精确的力学模型打下基础.     

三维机织复合材料的力学模型与实验验证

对三维机织复合材料的细观几何结构进行了深入的研究。采用椭圆形纤维束截面假设，详细研究了经纱纤维束在织物表面与内部的不同。建立了一种新的三维机织复合材料力学分析模型，并对其弹性常数进行了预测。研究了三维机织物的复合成型工艺，制作了实验件并进行了性能实验。通过实验值和理论预测值的对比，表明了力学模型的正确性。     

基于周期性边界条件的机织复合材料多尺度分析

针对平纹机织复合材料,首先从微观纤维直径尺度,采用三维实体有限元方法计算纤维束的等效性能参数。然后将这些参数代入细观尺度的机织单胞模型中,得到宏观结构的平均弹性常数。在两个尺度有限元的分析中,均摒弃了传统有限元分析中采用的等应力或等应变假设,引入周期性边界条件,同时保证了周期性单胞边界面的应力连续和位移连续。分析结果表明,对于机织周期性单胞,在剪切和拉伸情况下其边界面均不全部保持为平面,纠正了此前认为在拉伸情况下单胞边界面仍保持平面的错误假设。纤维束分析结果与使用实验修正参数的细观力学理论公式结果吻合良好,织物单胞的分析结果也与弯曲层板组合模型结果较为接近,证明了分析方法的正确性。     

针刺纤维复合材料单胞模型构建及力学性能研究进展

三维针刺纤维复合材料有独特的网状结构,变形能力强,同时针刺技术可设计性强,能制造大型复杂结构,常用于航空刹车盘、固体发动机喷管喉衬及其扩张段等结构中。在工艺成型过程中,受纤维铺层结构和针刺工艺参数等因素影响,材料针刺区域的纤维体积含量和纤维偏转路径不规则分布,容易引起应力集中,导致损伤发生,同时其内部细观结构极其复杂,导致材料的力学性能难以预报和分析。因此,本文从三维针刺纤维预制体成型工艺、三维针刺复合材料单胞建模方法和力学性能分析三个方面入手,重点介绍了预制体工艺成型过程仿真技术和复合材料工艺参数化建模方法在力学性能分析方面的应用,概述和评价了材料考虑针刺预制体成型工艺过程的细观单胞建模方法和基于实验、数值模拟的刚度、强度及损伤行为等力学性能分析方法的研究现状,同时对扩张段针刺复杂结构的性能分析进行论述。在针刺复合材料及其复杂结构的力学性能分析中,仍面临一些困难和挑战,如何建立针刺预制体成型工艺参数与针刺复合材料力学性能之间的映射关系,从材料细观结构到针刺复合材料复杂结构力学性能的分析方法,优化针刺复合材料制造工艺,是推进针刺复合材料和复杂结构在航空航天领域应用的关键。     

含边界和损伤因素的纺织复合材料细观胞元模型

纺织复合材料的细观力学分析通常以胞元模型为基础,胞元边界条件的合理施加是获得精确分析结果的关键之一。本文以平面机织复合材料为例,讨论了细观胞元的选取和周期边界条件的施加方法,在此基础上建立了二维细观有限元模型,通过与全厚度模型分析结果的比较,研究了周期胞元模型的合理性,特别是边界效应和局部损伤等非周期因素对分析结果的影响,给出了这些因素下胞元边界条件的处理方法。     

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。     

一种新的纤维增强复合材料细观力学模型

研究了复合材料宏、细观特征之间的联系，将宏观复合材料体中的一点赋予了细现结构特征。基于细现结构周期性假设，建立了一种细观力学模型。模型中用高阶多项式函数模拟基体和增强相中细现位移场，通过对细现单元力学方程的分析与求解，建立了复合材料宏、细观力学变量之间的联系。该细现力学模型，不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细现应力、应变场的分析，而且容易融入常规有限元法中，实现对复合材料结构的宏、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与试验结果及理论计算值具有较好的一致性。     

纤维断裂引起层合板多向刚度减缩的细观力学模型

研究了纤维断裂对连续纤维增强树脂基复合材料刚度的影响，建立了分析这种影响的细观力学模型，给出了描述纤维断裂引起的单向板四个弹性常数减缩的表达式。分析结果表明：在纤维断裂为主损伤控制模式阶段，单向板的四个弹性常数随着纤维断裂百分数增加而线性下降。     

纤维增强韧性基体复合材料界面损伤分析

用基于内聚力的界面模型分析了纤维增强韧性基体复合材料的界面损伤,研究了连续纤维增强复合材料受横向荷载时,诸如纤维排布方式、纤维体积占有率以及纤维和机体模量比等细观参数对界面损伤和材料拉伸强度的影响.研究发现,当纤维体积占有率和纤维模量提高,以及纤维按四方排布时,虽然能增加复合材料刚度,但纤维与基体的界面更容易损伤.当界面脱粘现象存在时,复合材料的拉伸强度主要由界面强度决定.     

三维机织复合材料拉伸损伤

采用三维实体有限元方法,结合周期性边界条件,研究了三维机织复合材料在经向拉伸和纬向拉伸载荷作用下损伤的起始、扩展直至最终破坏的全过程。分析中抛弃了以往损伤研究中采用的单元消失技术,对破坏的基体单元和纤维束单元均按方向进行刚度折减。制作三维机织拉伸试件并进行了相应的试验,计算结果和试验结果吻合良好,证明了该研究方法的正确性。     

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。     

基于多尺度方法的飞行器结构强度分析

建立了一套飞行器结构多尺度分析方法,能够较为高效、准确地分析飞行器结构的力学行为,确定危险区域以及研究损伤模式。采用层次多尺度法,分别建立了飞行器整体结构、局部舱段结构、单钉连接模型三种有限元模型,对飞行器结构进行分析。建立了宏观变量与细观响应之间的信息传递和反馈。对三向正交碳/碳机织复合材料的宏观刚度和强度性能进行了预测,建立了宏观损伤起始包络线。采用协同多尺度法对单钉连接模型进行渐进损伤分析。研究表明该方法具有良好适用性,能够较为准确地分析结构的损伤模式,为飞行器结构设计提供参考。     

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。     

基于细以方法的颗粒增强复合材料弹塑性分析

针对高体积含量的颗粒增强复合材料，提出了一种细观结构模型：将颗粒简化为同质、同尺寸的弹性圆球，两颗粒之间的连接基本简化为一弹塑性短圆柱体，并假设细观应力、应变和塑性区均为轴对称分布。其体和颗粒的变形行为分别简化为类似于弹性地基和弹性半空是，以此为基础，建立了反映一对颗粒法向和切向变形协调关系的两个积分方程。数值求解这两个方程，可得到一对颗粒间基体中细观应力的分布形式，从而建立颗粒对的细观弹塑性本构，采用平均化方法，进一步推导出材料宏观的应力－应变关系。本文利用该模型对一种金属基复合材料的拉伸实验进行了模拟，理论预测与实验结果吻合较。     

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.     

微尺度聚合物熔体的非等温平板收缩流动数值仿真

聚合物流体的收缩流动行为是微注射成型工艺过程中影响分子取向与结构的重要因素。本文采用基于有限元求解法的通用CFD软件Fidap，结合适当的边界条件，实现了微尺度条件下聚合物熔体的4：1非等温平板收缩流动的数值模拟，所用流体粘度模型为Carrcau方程，有限元单元为4节点四边形网格。结果表明，流体下游速度明显高于上游速度，速度梯度在收缩人口处明显增大，下游压力梯度大于上游压力梯度，且最大剪切速率出现在收缩人口拐点处。将仿真结果同相关文献的结果相比较发现，仿真所得聚合物流体在收缩流动过程的速度、压力及剪切速率分布规律与其在宏观尺度下的结果具有定性一致性，而温度分布则存在一定偏差。因此，宏观收缩流动仿真研究中的控制方程及本构方程仍适用于微尺度条件下流体的等温收缩流动仿真研究，对非等温微流体收缩流动行为的研究则要对能量方程做进一步修正。