基于细观结构的三维机织复合材料弹性性能的分析

三维机织复合材料具有复杂的细观结构,通过采用双凸透镜的几何形状来描述被压扁的纤维束横截面,引入细观结构和几何参数,建立了基于织物细观结构预测三维机织复合材料的纤维体积分数和弹性常数的方法。通过参数分析预测了结构和几何参数对三维复合材料弹性性能的影响。开发了一个具有友好界面的三维机织复合材料弹性性能的分析软件,为复合材料结构设计者选定适合的织物增强结构提供了有效的计算工具。理论计算结果与实验值的比较,表明了分析方法的正确性。     

2.5D编织复合材料细观结构及弹性性能

基于对2.5D编织复合材料细观结构的观察,提出了结构上更稳定的三维力学模型,反映了2.5D编织复合材料的结构.针对该模型,推导了纤维体积分数与几何参数之间的关系,并采用刚度平均法和有限元法预测了2.5D编织复合材料的等效力学性能,分析了弹性常数随纤维体积分数以及经密、纬密的变化规律.两种方法的预测结果均表明,倾斜角对弹性性能影响并不显著,但对材料内部的细观应力场有较大影响.理论预测与有限元结果吻合较好,从而验证了模型的有效性.     

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.      

2.5维机织结构复合材料的弹性性能预测

基于经纱矩形截面及纬纱双凸透镜截面假设,重点考虑了该结构表层经纱与内部经纱密度的不同及相同机织结构合成不同厚度和纤维束截面的情况,建立了2.5维机织复合材料的弹性性能预测模型.同时,试验测定了6种结构62个试件的弹性模量.数值预测与试验结果对比表明:研究建立的弹性性能预测模型可以较好地反映2.5维机织复合材料的内部结构;在2.5维机织复合材料弹性模量预测中,表层与内部经纱的差异不可忽略.      

2.5维C/SiC复合材料单胞模型及刚度预测

通过提取2.5维C/SiC复合材料经纱边界曲线,采用鲁棒最小二乘拟合得到了经纱轴向函数表达式,对拟合后的曲线进行合理简化,建立了参数化的2.5维C/SiC复合材料的有限元模型.采用双尺度模型对2.5维C/SiC复合材料进行刚度预测,分别为考虑纤维/基体/孔隙的微观尺度和考虑经纱/纬纱/孔隙的单胞尺度模型,刚度预测的方法采用刚度平均法和能量法.最后讨论了微观尺度的孔隙率对2.5维C/SiC复合材料弹性模量的影响.结果表明,刚度平均法和能量法的计算结果差异较小,考虑微观孔隙率后,计算结果与试验结果吻合得更好.      

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。     

编织SiC(C)/SiC复合材料细观建模与热弹性常数预报

为了准确有效地评估陶瓷基复合材料的热力性能,本文基于真实的CT扫描图像,充分考虑不同编织结构的铺层结构与内部孔隙,建立了平纹机织C/SiC复合材料、平纹机织SiC/SiC复合材料以及2.5D编织SiC/SiC复合材料的二维细观模型。在此基础上构建有限元模型,计算材料等效弹性模量与等效导热系数,并与实验结果进行对比,验证了模型的正确性和有效性。并分析微观结构对应力集中区域与热流集中区域分布的影响规律。研究发现：孔隙的几何形状和分布对宏观热力性能影响显著,且三种材料截面中的应力集中区和热流集中区均与纬纱和经纱交织前后的区域有关;SiC纤维增强的材料弹性模量及导热性能均大于C纤维增强的材料,与平纹机织结构相比2.5D编织结构材料在厚度方向的模量和热导率更大。     

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。     

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。      

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.      

2.5维机织复合材料纬向拉伸过程初始屈服准则

2.5维机织复合材料已有较为广泛的应用,而目前对该类复合材料的破坏机理和失效原因尚未形成统一的认识。根据三维机织复合材料的拉伸试验现象,基于经纱曲面层板纬向纤维和树脂应力相等的假设,建立了2.5维机织结构复合材料纬向拉伸过程的初始屈服条件和屈服准则。通过对2.5维机织复合材料3种结构12个试件进行纬向拉伸试验及文献中的三维机织复合材料拉伸试验,与计算预测结果的对比表明本文中建立的初始屈服准则的合理性。研究表明,树脂横向裂纹是2.5维结构复合材料纬向拉伸过程初始屈服产生的直接原因;2.5维机织复合材料出现纬向拉伸屈服的条件仅和经纱曲面板内的经纱体积含量、纤维和基体的弹性模量及基体的拉伸破坏强度等因素有关,而与经纱曲面板的走向和层数无关。因为组分弹性模量不同,在纬向拉伸过程中,树脂应变高于复合材料的应变。树脂的初始横向裂纹首先发生在纤维密集处,并向富树脂区扩展;裂纹在向纤维方向扩展过程中受到纤维的阻碍而受到限制。     

混合机织复合材料刚度、强度及低速冲击性能试验研究

将二维机织碳布和单向预浸料碳布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。试验测定不同比例的混合机织复合材料的面内刚度、强度,采用落锤法进行多个能量级别的低速冲击试验和准静态横向压缩试验,用超声波C-扫描法记录各试验件的内部损伤面积,并测量剩余压缩强度,分析这种混合机织复合材料在综合考虑刚度、强度以及低速冲击损伤容限等因素下的最佳铺层比例。     

Fatigue life prediction model of 2.5D woven composites at various temperatures

As one of the new structural layout in the family of woven composites, 2.5D Woven Composites(2.5D-WC) have recently attracted an increasing interest owing to its excellent properties, i.e. high specific strength and fatigue resistance, in the aerospace and automobile industry. Indepth understanding of the fatigue behavior of this material at un-ambient temperatures is critical for the engineering applications, especially in aero-engine field. Here, fatigue behavior of 2.5D-WC at different temperatures was numerically investigated based on the unit cell approach. Firstly, the unit cell model of 2.5D-WC was established using ANSYS software. Subsequently, the temperature-dependent fatigue life prediction model was built up. Finally, the fatigue lives alongside the damage evolution processes of 2.5D-WC at ambient temperature(20 ℃) and unambient temperature(180 ℃) were analyzed. The results show that numerical results are in good agreement with the relevant experimental results at 20 and 180 ℃. Fatigue behavior of 2.5D-WC is also sensitive to temperature, which is partially attributed to the mechanical properties of resin and the change of inclination angle of warp yarns. We hope that the proposed fatigue life prediction model and the findings could further promote the engineering application of 2.5D-WC, especially in aero-engine field.     

不同纤维预制体结构对SiC_f/PyC/SiBCN复合材料力学性能的影响

使用不同织造方式(二维机织,法向增强2.5维机织和三维五向编织)制备了3种SiC纤维预制体,采用树脂转移模塑(RTM)和聚合物浸渍裂解(PIP)工艺制备了SiC_f/PyC/SiBCN复合材料。观察复合材料的显微组织,测试弯曲强度、拉伸强度、压缩强度等力学性能,探究不同预制体结构对复合材料力学性能的影响行为。结果表明:同一预制体结构在不同方向的纤维分布不同导致材料力学性能的各向异性;不同预制体结构对材料力学性能有着显著的影响。     

三维编织复合材料研究进展

重点回顾了三维编织复合材料各发展阶段的关键性成果,从研究方法和研究方向两个角度,对该领域的重要研究成果和笔者所在课题组的最新研究成果进行了评述。在编织工艺方面,重点介绍了编织物的细观结构和适用领域,指出了细观结构对最大纤维体积分数的影响和当前流行的建模方法,并且将周期性单胞划分方法和纱线截面形状的模拟归纳为参数化建模中的两个关键问题。对力学性能的研究成果进行了综述,在试验方面,重点介绍了编织角的变化对材料各种性能的影响;在理论方面,重点评述了几种多尺度细观力学方法和特征单元法。最后,对有待于进一步研究的问题进行了展望。     

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.     

三维五向圆型编织复合材料细观分析及弹性性能预测

 基于三维圆型编织的主要工艺，系统研究了三维五向圆型编织的纱线交织结构，建立了内部单胞和表面单胞模型。推导了单胞的几何特性、编织工艺参数之间的数学关系。基于此模型，采用改进的刚度平均化方法，计算了三维圆型编织复合材料的弹性性能参数，并与实验的结果进行了对比，吻合较好。分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响，结果表明，五向圆型编织复合材料保持了四向圆型编织复合材料良好的力学性能，同时由于轴纱的加入，使得轴向的力学性能得以提高。