三维编织复合材料宏细观多尺度传热分析

近年来三维编织复合材料在航空、航天等领域得到了广泛应用,而热传导性能是其重要的物理性能之一。根据三维四向编织复合材料细观单胞模型,建立其热传导性能的宏细观多尺度模型,包括等效热传导系数的均匀化模型和温度场分布的多尺度模型;基于宏细观多尺度有限元算法,计算三维四向编织复合材料的等效热传导系数,并与实验结果进行对比;在此基础上,研究编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律,并确定材料内部的温度场分布。结果表明:等效热传导系数与实验值吻合较好,细观单胞模型能较为真实地反映三维四向编织复合材料的结构构形,宏细观多尺度方法能有效预测三维编织复合材料的热传导性能,并且能有效捕捉材料内部的局部振荡效应。     

三维编织复合材料热物理性能的有限元分析

根据三维编织复合材料的细观结构,分别建立了三维四向和五向编织复合材料热物理性能的有限元模型.采用周期性的非绝热温度边界条件和位移边界条件,计算了三维四向和五向编织复合材料的整体等效热传导系数和热膨胀系数,计算结果同已有文献相比与实验值符合得更好.在此基础上,迸一步研究了编织角、纤维体积分数、编织结构等参数对材料热物理性...     

三维五向编织复合材料导热性能的有限元分析

根据三维五向编织复合材料的细观结构模型,分别假设编织纱线和轴纱具有六边形和正方形横截面,建立了计算三维五向编织复合材料导热性能的有限元模型.采用有限元方法,设定合理的边界条件,计算了三维五向编织复合材料的横向和纵向热传导系数,并与三维四向编织复合材料的热传导系数进行了比较,分析了编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律.此外,还确定了材料内部的温度、热梯度及热流量的分布,为材料热力耦合问题的分析奠定了基础.     

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.     

三维四向编织复合材料基本性能的有限元模拟

依据三维四向编织复合材料的结构特点,建立了能真实反映其空间构型的"双纽线"单元体胞模型,并以此为基础,采用有限元方法对C／SiC三维四向编织复合材料的基本性能参数进行了数值模拟,获得了该材料在制备冷却阶段的热变形行为以及残余应力和残余应变的分布状况,同时获得了制备后室温条件下该材料的等效弹性模量与等效热膨胀系数值。     

三维编织复合材料蠕变行为的试验研究

对不同编织结构、不同编织角、不同纤维体积含量和不同应力水平下的三维编织复合材料试件进行了蠕变测试实验,研究了三维编织复合材料的蠕变性能.结果表明,三维四向编织复合材料的蠕变性能低于五向编织复合材料;编织角小的材料抗蠕变性能较好;纤维体积含量高的材料抗蠕变性能较好.并且材料所受应力水平越高,蠕变速率越高.此外,还表明幂指函数可以较好地拟合三维编织复合材料的蠕变曲线.     

基于微胞体划分的三维编织复合材料有效力学性能分析

对三维编织复合材料的编织工艺和材料细观结构进行了深入的分析,提出一种微胞体划分技术,细观结构复杂的单胞体被划分为两类结构简单的微胞体有规则的集合;对每类微胞体分别求出其各自的等效弹性性能,不同的微胞体在有限元分析中被认为是不同的均质材料,建立了基于微胞体划分技术下的三维有限元分析方法;对三维四步1×1矩形编织复合材料的有效力学性能进行了预测,结果与实验吻合较好。     

预测平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数的三维纤维随机模型

提出了一种能够刻画平纹编织C/SiC复合材料编织结构的三维纤维随机模型，探讨了微观结构影响宏观等效导热系数的机理。采用蒙特卡罗法模拟纤维位置的随机分布，用有限元法计算等效导热系数，通过数理统计方法分析在不同纤维体积分数下等效导热系数的随机分布规律；并且比较了相同纤维体积分数下，纤维随机模型平均等效导热系数与纤维周期排列模型等效导热系数的差别。结果表明:在不同体积分数下，纤维位置随机等效导热系数都呈高斯分布；纤维随机模型中纤维会出现聚集现象，形成局部“导热热障”，所以纤维随机模型平均等效导热系数小于纤维周期排列模型，这种差异在中等纤维体积分数下最明显。      

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。     

含孔隙三维四向编织复合材料力学性能的双尺度分析

为了更精确地对含孔隙三维四向编织复合材料的力学性能进行预测,基于双尺度分析方法分别研究了纤维束中的干斑和基体中的孔穴对三维四向编织复合材料宏观力学性能的影响。在纤维束微观尺度上,采用通用单胞法来预测纤维束等效力学性能参数。在编织结构细观尺度上,利用代表性体积单元(RVE)和细观力学有限元法预测得到宏观等效弹性常数。将上述计算结果与文献实验数据进行对比,验证了双尺度分析方法的正确性。采用Monte-Carlo仿真技术在模型中投入气孔单元,分别在纤维束和基体中模拟干斑和孔穴,讨论了两种孔隙缺陷对三维四向编织复合材料力学性能的影响规律。结果表明:孔隙缺陷率对三维四向编织复合材料力学性能有较大的影响,且纤维束中的干斑较基体中的孔穴相比影响更大;在给定孔隙缺陷率(Pmv=Pfv=4%)情况下,沿编织方向弹性模量仅从13.6GPa变化到14.2GPa,说明孔隙的位置分布对沿编织方向的弹性模量影响很小。     

Investigation on the Thermal Conductivity of 3-Dimensional and 4-Directional Braided Composites

It is vital to choose a factual and reasonable micro-structural model of braided composites for improving the calculating precision of thermal property of 3-D braided composites by finite element method (FEM). On the basis of new microstructure model of braided composites proposed recently, the model of FEM calculation for thermal conductivity of 3-dimennsional and 4-directional braided composites is set up in this paper. The curves of coefficient of effective thermal conductivity versus fiber volume ratio and interior braiding angle are obtained. Furthermore, comparing the results of FEM with the available experimental data,the reasonability and veracity of calculation are confirmed at the same time.     

纤维增强复合材料有效性能分散性

利用改进算法的宏-细观统一通用单胞本构模型,采用Monte-Carlo方法研究了不同纤维形状、不同纤维排列方式以及纤维体积含量对纤维增强复合材料弹性模量、泊松比和热膨胀系数的分散性的影响。研究结果表明:复合材料有效性能的分散性小于组分的分散性。随着纤维体积比的增加,纵向有效性能的分散性加大;而横向有效性能除了椭圆形纤维的短轴方向的热膨胀系数之外,其它性能的分散性则都是下降趋势。纤维截面形状和排列方式对纵向性能的分散性几乎没有影响。方形和圆形纤维时,横向性能的分散性几乎相同,而椭圆形纤维时,则与它们有明显的差别。不同纤维排列方式下,横向性能的分散性都是不一样的。对于E11和G12,六角形和方形对角排列时其分散性较大,而矩形排列引起的分散性最小。随着纤维体积比的增加,不同排列方式下,横向热膨胀系数的分散性趋近于一致。本文得到的结论为复合材料及结构的概率设计提供了重要的参考。     

基于有限元法的平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数预测方法

提出了一种采用有限元法计算平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数的方法.首先研究了材料的细观结构,根据材料显微照片建立了带基体碳纤维束复合材料的单胞模型,采用基体中孔隙分布随机生成的单胞模型,计算了孔隙率对基体等效导热系数的影响,通过施加3组边界条件计算出带基体碳纤维束和复合材料的等效导热系数.最后应用提出的方法计算分析了碳纤维体积分数和孔隙率对复合材料等效导热系数的影响规律.结果显示:复合材料等效导热系数随碳纤维体积分数增大而线性下降,碳纤维体积分数从54%增加到78%的过程中,复合材料y轴方向的等效导热系数下降了12.8%,x与z轴方向的等效导热系数同时下降了8.6%;复合材料等效导热系数随孔隙率增大呈加速下降趋势,孔隙率从0增加到30%的过程中,材料的x与z轴方向的等效导热系数下降了22.91%,y轴方向的等效导热系数下降了34.66%.     

三维整体编织碳/酚醛复合材料烧蚀表面状态测试与分析

为了更好地研究三维整体纺织碳／酚醛复合材料的成型工艺对材料烧蚀性能的影响，选用不同纤维体积分数和不同编织结构的碳／酚碳复合材料试样，进行烧蚀试验，利用TalyScan150型表面粗糙度测试仪对试样烧蚀后的表面进行测试，并采用多种分析方法对测试结果进行分析。从分析结果可以看出三维四向结构的碳／酚醛复合材料随着纤维体积分数的增加，烧蚀性能变好，较低纤维体积分数（50％）的三维五向结构碳／酚醛复合材料具有较好的烧蚀性能。     

2.5D编织结构复合材料温度场特征研究

考虑到编织结构陶瓷基复合材料（CMC）在涡轮叶片等航空发动机高温部件应用时，材料内部编织结构特征会导致高温部件的温度场存在波动性。为了研究复合材料温度场的波动特征，以2.5D编织结构复合材料为例，分别建立了基于等效导热系数的均匀化平板模型和基于材料全尺寸细观编织结构的平板模型，计算对比了两种平板模型的温度场分布及内部热量传输特征，同时探究了材料内部编织结构的角度、纤维束轴向与径向导热系数比、纤维束与基体导热系数比等材料结构特征参数和热物性特征参数对材料表面温度波动的影响规律，并开展了编织结构平板的温度场测试实验。研究结果表明：与基于等效导热系数计算得到的平板温度场相比，基于全尺寸编织结构平板模型得到的温度场存在明显的波动特征，当平板内部平均温度梯度为25383K/m时，表面温度波动幅值达到12.41K，表面最高温度由906.96K增加到911.60K，并且在平板内部热量的传输方向沿着纱线发生明显的偏转。同时，随着纱线编织角度的增加，材料表面温度波动幅值下降，但表面的高温区域增加，沿着经纱轴向的温度波动频次增加。随着纤维束轴径向导热系数比的增加，材料表面的高温区域基本不变，温度波动幅值小幅下降，均匀性增强；随着纤维束与基体导热系数比的增加，材料表面的高温区域增加，温度波动幅值降幅较大，均匀性得到较大提高。在本文的研究范围内，当边界温度达到1600K时，基于等效导热系数的方法无法准确地预估复合材料的温度场。     

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性分析

为研究固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性,以组分材料之间界面分析为基础,完成热结构参数的实验测定与基于代表性体积单元的等效热物理参数的预测,得出轴编C/C复合材料的等效热膨胀系数与等效热导率系数。分析表明:基于代表性体积单元程序温度周期性边界条件的应用,可以较精确预测复合材料等效热膨胀系数和等效热传导率;得出了组分材料界面相对等效热结构参数的影响,组分材料界面相采用一定厚度的单元模拟更加接近实验数据;讨论了等效热膨胀系数和等效热导率随编织参数的变化规律。     

复合材料热胀系数影响因素分析

文摘为了分析复合材料热胀系数的影响因素,对复合材料热胀系数设计起到指导意义,通过理论分析方法对纤维树脂体系、铺层顺序、铺层角度偏差、纤维体积分数等复合材料热胀系数影响因素做了相应研究。结论表明:同种基体不同纤维,其热胀性能表现出较大的差异;不同基体对同一种纤维热胀系数有较大的影响;0°铺层在管的外层会有助于降低轴向热胀系数,同时也会对径向热胀系数的增大有一定贡献;铺层角在30°~60°时,由于角度偏差带来的热胀系数偏差较大。复合材料管件的轴向热胀系数与纤维体积分数之间呈现出高度的非线性与非单调性,径向的热胀系数呈现出单调的降低现象。