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。     

基于单胞模型的三维四向编织复合材料力学性能研究

本文提出了一种三维四向编织复合材料单胞模型的构建方法,并基于该模型对三维四向编织复合材料的细观力学性能进行了分析。首先,根据三维编织复合材料的两个内部构型参数——纤维体积含量和编织角,结合有限元分析软件建立了三维四向编织复合材料的单胞模型;然后,针对三维四向编织复合材料单胞的静力学性能及抗冲击性能进行了分析,得到了该单胞模型三个正交方向的弹性模量,并研究了纤维体积含量和编织角对三维四向编织复合材料单胞抗冲击性能的影响规律;最后,利用扩展有限元方法研究了三维四向编织复合材料单胞的抗拉强度,分析了纤维体积含量和编织角对三维四向编织复合材料单胞强度的影响规律。     

预制体织造过程的数字单元法模拟研究

预制体作为复合材料的增强相,决定着复合材料的性能。而预制体的性能往往取决于纱线的空间结构,为了反映织物内部纤维束的宏观三维空间结构和微观截面几何构型,通过将纱线离散化,用数值模拟和仿真方法模拟织造过程。本文综述了复合材料预制体织造过程的数字单元法模拟研究进展。在微观几何结构方面,详述了数字单元法研究由理论到应用的发展历程,对先进的数字单元建模方法进行了介绍,指出当前模型对于数字单元法模拟纺织过程较为理想化,未考虑纤维的抗弯刚度、空气阻尼效应以及横向压缩引起的能量损失等工艺参数,指出今后的研究中可进一步优化数字单元法,实现参数化建模,深入研究纤维束变形机理以获得纤维更为真实的微观几何结构模型。     

三维机织复合材料的细观力学分析

建立了一种三维机织复合材料的细观力学模型。模型包括两相：一相为纤维束，另一相为基体材料或横向的纤维束。该模型考虑了纤维束弯曲所引起的附加剪切。讨论了根据织造参数确定机织复合材料细观结构的方法。将上述理论用于一种实际的碳／环氧三维机织复合材料的分析，研究了细观应力分布的特点，并用平均化方法得到了材料宏观的模量，分析结果与试验数据吻合良好。     

平面机织复合材料低温力学性能数值分析与试验验证

建立了单向玻璃纤维增强复合材料及酚醛树脂基平面机织复合材料层合板周期性单胞三维(3-D)有限元模型,在两个模型的有限元分析中引入周期性边界条件,保证了周期性单胞边界面的应力和应变的连续性。通过有限元模拟获得单向纤维增强材料的各项力学参数。模拟了常温及低温情况下基体模量改变这两种情况下层合板拉伸、压缩和剪切的渐进损伤过程。引入合适的损伤起始和损伤扩展准则,预测了层合板在两载荷下的破坏过程。在常温和-50℃两种情况下,对平面机织复合材料进行了拉伸、压缩、剪切试验。将有限元模拟结果与层合板在常温和低温下的试验结果进行了对比,进一步讨论了影响酚醛树脂基复合材料层合板低温力学性能的因素,得出了材料在低温情况下力学性能优于常温情况,同时也用试验验证了分析方法的正确性。     

三维五向矩形编织复合材料的细观结构模型

分析了三维五向矩形编织工艺携纱器的运动规律,基于映射思想研究了纱线的空间走向及规律.经分析内部区域编织纱及轴纱的空间挤压交织关系,建立了能有效反映其纱线空间构型特征的三维实体细观结构模型.根据3单胞划分思想,提出了平行于材料边界方向的单胞几何模型,建立了编织工艺参数和模型宏细现结构参数的关系.模型数值结果与试件实测数据基本吻合,证明了该模型合理、有效.     

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。     

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。     

2D-C/SiC复合材料螺栓连接结构可靠性分析

耐高温C/SiC陶瓷基复合材料因加工制造的复杂工艺,其性能参数存在明显的分散性。为了提高复合材料螺栓连接结构的可靠性建模精度,采用渐进损伤分析方法进行强度分析,采用不含交叉项二次响应面函数进行可靠性分析。采用改进的Hashin失效准则与Ye分层失效准则进行渐进损伤分析,分别对结构纤维与基体采用不同的刚度损伤模型,通过有限元仿真获得螺栓连接结构的拉伸极限承载能力,与试验值之间相对误差较小。将2D-C/SiC复合材料的刚度性能参数与强度参数作为随机变量,采用响应面法拟合结构功能函数,通过分析得到结构在拉伸载荷下的失效概率函数,并分析了各材料力学性能参数的灵敏度,发现面内剪切强度对结构可靠性影响较大。     

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。     

界面韧性对C/SiC材料拉伸强度影响分析

C/SiC复合材料的损伤失效行为与内部微细观组分的原位力学性能的密切相关。本文通过多尺度建模结合渐进损伤分析，研究了微观界面层断裂韧性对C/SiC宏观拉伸强度的影响。微观渐进损伤分析表明不同界面层韧性可以产生两种损伤扩展模式，显著改变纤维束横向拉伸和轴向剪切强度值；基于三维Hashin准则的细观损伤分析进一步表明会对C/SiC的宏观拉伸强度产生8.2%的影响。本文的结果可以为C/SiC复合材料失效分析及优化设计提供支撑。     

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。     

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.     

纤维增强陶瓷基复合材料热结构综合强度与渐进损伤分析方法研究

针对纤维增强陶瓷基复合材料热结构力学性能特点,基于Tsai-Wu强度准则,提出了一种适用于纤维增强陶瓷基复合材料热结构综合强度分析的三维实体型渐进损伤分析方法;基于ANSYS软件APDL语言完成了分析方法的程序开发和实现,并通过与文献经典算例及典型热结构强度试验结果的对比分析,验证了本文方法的合理性和正确性。研究结果表明:本文方法可有效分析和预示纤维增强陶瓷基复合材料热结构的承载能力和损伤失效形式,具有很高仿真分析精度,解决了力热综合条件下复杂热结构强度预示与渐进损伤分析评估技术难题。     

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.     

复合材料构件成型模具设计方法

树脂基纤维增强复合材料构件成型模具根据其材料可分为金属模和复合材料模,金属模利用数控加工方式制造.复合材料模利用过渡模铺帖成型,因其特殊的结构和工艺性,其设计过程和方法有别于普通的机械零件成型模具.本文分析了复合材料构件模具结构及现有设计存在的问题,采用数字化设计的方法和流程,解决了成型曲面的可加工性检测、成型曲面的整体偏置以及模具支架的参数化设计等关键技术,开发了相应的设计系统.     

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。     

南京航空航天大学学报2007年（第39卷1～6期）总目次

题目作者期-页含边界和损伤因素的纺织复合材料细观胞元模型周储伟张音旋(1-1)复合材料层合板疲劳寿命分析的系列单元失效模型杨忠清姚卫星胡伟峰(1-6)整体中空夹层复合材料力学性能的实验研究周光明钟志珊张立泉等(1-11)基于非确定性的翼型鲁棒反设计方法唐智礼(1-16)三参数We     

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     

泡沫夹层结构复合材料热膨胀模压法工艺研究

在传统泡沫夹层结构复合材料成型工艺基础上,探索了一种新型的夹层结构成型工艺。传统工艺需要热压罐、真空袋等外部设备来为成型提供压力,文中提出了利用泡沫本身热膨胀和刚性模具的限制作用,为泡沫夹层结构复合材料提供成型压力。通过对泡沫芯材的模压发泡工艺的控制、监测,分析了夹层结构成型时内部产生压力的大小。同时,对其弯曲强度和剥离强度进行了表征。实验结果表明:控制芯材密度、发泡温度和发泡时间能有效地提高夹层结构的成型压力和力学性能。