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.      

三维五向编织复合材料强度的有限元分析

在已有三维五向编织复合材料单胞实体模型的基础上,基于等应变假设和最大应力失效准则,采用3D有限元法建立了三维五向编织复合材料的拉伸强度有限元分析模型。利用该模型计算了试件的拉伸强度,与现有实验数据进行对比,吻合较好。数值模拟表明:三维五向编织复合材料主要的拉伸失效形式为轴纱的正应力破坏,与已有文献的观测结果一致。     

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。     

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。      

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。     

三维五向碳/酚醛编织复合材料的拉伸性能及破坏机理

 对不同编织角、不同体积含量的三维五向碳/酚醛编织复合材料进行了纵向（编织方向）拉伸实验和横向拉伸的对比实验，获得了这些编织复合材料的主要拉伸力学性能。实验后对拉伸试件的断口进行了照相和扫描电镜观察，分析了材料的变形及其破坏机理。实验结果表明: 编织角仍是影响三维五向编织复合材料拉伸力学性能的主要因素，并且复合工艺的质量对复合材料的力学性能有重要影响。此外,发现三维五向碳/酚醛编织复合材料的横向拉伸与纵向拉伸具有完全不同的破坏机制。     

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。     

三维编织复合材料宏细观结构的计算机图形模拟

从三维编织复合材料的编织工艺——四步法入手，分析了纱线的空间位置，利用计算机较为精确地模拟织物的宏观结构。采用合理的单胞划分的方法，对该宏观模型进行剖分，获得了较精确的织物细观结构，得到了有关细观结构的一些重要规律，以便于下一步对编织复合材料进行力学分析。     

三维编织结构复合材料的编织设计

三维编织技术是近几年新兴的用于制作复合材料的纺织技术，它具有两大特点：第一，三维编织是三维四向的整体结构，使织物具有优良的力学性能；第二，工艺原理简单。这两大特点使三维编织技术在复合材料领域得到了充分的肯定，利用三维编织工敢可以提供各种各样的规则形材、异形材的预制品；可以采用混编，分层编织方法提供不同性能的材料，三维异形整体编织技术为不同形状，不同性能要求的复合材料提供了实现的手段。     

三维全五向编织复合材料的细观结构分析

基于三维全五向矩形编织工艺的携纱器运动规律,系统研究了三维全五向编织复合材料的纱线空间运动方式、纱线间交织结构形态,建立了三维全五向编织结构各区域的单胞几何模型,推导了编织角等工艺参数与各单胞结构参数间的数学关系,计算了纤维体积分数的预测值,并与实测值相比误差较小,表明所建模型较为合理、准确.     

三维全五向编织耳片接头力学性能试验研究

通过单向静力拉伸试验研究了三维全五向编织复合材料耳片接头的力学性能。试件选用T700-12K碳纤维采用四步法编织预制件,以TDE-85环氧树脂为基体,经树脂传递模塑（RTM）工艺固化成型。对两种几何尺寸、两种孔加工方式（编织预留孔和机械制孔）的三维全五向编织复合材料耳片接头试件的力学性能进行了试验研究。试验结果表明,同尺寸三维全五向编织预留孔接头的承载力是机械制孔接头承载力的6倍;对相同孔径及厚度的耳片,增大耳片宽度能大幅提升耳片承载力,但并不能显著提高其初始破坏载荷。     

三维全五向编织复合材料的切边效应

对切割与未切割的三维全五向(3DF5D)编织复合材料进行了纵向拉伸力学性能研究。首先分别对2种编织角下3种不同情况(未切割、沿厚度方向切边和沿宽度方向切边)的试件进行了力学性能实验,实验结果表明,沿着厚度方向切边使材料的刚度和强度分别下降了约10%和25%;沿着宽度方向切边使材料刚度和强度分别下降了约3%和18%;进一步通过有限元数值模拟对上述实验过程进行了仿真计算,得到了单胞的损伤演化过程、破坏机理以及应力-应变曲线。最后对实验结果和计算结果进行了对比,结果显示二者吻合良好。研究结果表明,三维全五向编织复合材料的编织角越大,拉伸刚度和强度会越小;试件尺寸越大,厚度方向和宽度方向切边的影响越小,并趋于定值。     

A New Scheme and Microstructural Model for 3D Full 5-directional Braided Composites

Three-dimensional(3D) braided composites are a kind of advanced ones and are used in the aeronautical and astronautical fields more widely. The advantages, usages, shortages and disadvantages of 3D braided composites are analyzed, and the possible approach of improving the properties of the materials is presented, that is, a new type of 3D full 5-directional braided composites is developed. The methods of making this type of preform are proposed. It is pointed out that the four-step braiding which is the most possible to realize industrialized production almost has no effect on the composites'properties. By analyzing the simulation model, the advantages of the material compared with the 3D 4-di- rectional and 5-directional materials are presented. Finally, a microstructural model is analyzed to lay the foundation for the future theoretical analysis of these composites.     

虚拟现实技术在三维编织物设计及仿真中的应用

以四步法三维管状编织物身例，讨论了虚拟现实技术在三维编织物仿真设计中应用的关键技术问题；该方法的使用，使得用户在织造前就可在虚拟环境中自由缩放、移动、旋转织物模型，清楚地了解纱线的编织运动过程，并使编织工艺设计的网络化成为可能。     

三维编织工艺参数对复合材料拉伸性能的影响

通过一系列的实验比较和分析研究 ,客观地评价了三维编织工艺参数对复合材料拉伸性能的影响。实验结果表明 :三维编织复合材料具有良好的力学性能 ,纤维表面编织角、纤维体积分数和纤维束细度对复合材料拉伸性能有较大的影响     

三维四向编织复合材料细观建模

基于编织过程中携纱器的运动规律,重点分析了编织复合材料内部区域的空间构型,提出了一种改进的细观单胞模型.该模型能够考虑因打紧工艺造成的纤维束轴线弯曲构型以及截面变形,并可以给出编织参数和模型宏细观参数之间的关系,结果表明:该模型比较接近实际结构,材料内部纤维束轴线空间走向为曲线,控制点处纤维束截面为椭圆形假设已接近其真实的截面形状,并且由该模型得出的胞元几何特征数据与试件实测数据较为吻合,对花节长度的预测值最大误差保持在3%左右,在编织角分别为19°,21°和21.5°时,本模型的预测结果更接近实测结果,适用于三维编织复合材料尤其是小编织角结构的建模,可为后续力学性能的分析提供基础.      

三维编织体复合材料空间几何结构的计算机模拟

针对四步方形编织结构,从三维编织工艺和实际的编织过程出发,提出一种单元几何模型,并通过计算机图形建模建立织物的空间几何数学模型,解决了三维编织复合材料内部编织结构分析困难的问题。该模型以携纱器循环一周返回到起始位置所形成的纱线编织结构作为单元,系统分析编织过程中纱线的空间运动规律,保证纤维束的连续性和材料整体结构的完整性。对每根纱线,选取它在编织体各个区域内合适的控制点,过这些控制点拟合成三次样条曲线,以此模拟纱线的空间结构中心线,从而能够方便直观地观察到各纱线具体走向。最后得到纱线和编织体的结构,从而便于下一步进行编织体复合材料力学性能的有限元分析。     

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.     

三维四向编织复合材料的叠层板理论分析

基于经典层合板理论和叠层板模型，建立了一种分析三维四向编织复合材料力学性能的方法。在叠层板模型中，代表性体积单元的厚度为编织复合材料的整体厚度，宽度为一个编织花节宽度，长度为一个编织花节长度，并简化为具有不同材料主方向的单向层板的叠合结构。不同层板间的交叉重叠按各层板性能的体积平均进行简化，同时假设代表性体积单元具有均匀的中面应变和曲率。此外，模型中考虑了编织纱线的排列方式以及表面纱线的影响。理论分析结果与实验值吻合较好。     

小编织角三维编织复合材料拉伸强度模型

 采用离散化方法，基于等应变及等应力混合平均思想，结合桥联模型，建立了四步法小编织角三维四向矩形编织复合材料的拉伸强度模型。该模型不仅可以获得材料的等效弹性性能，而且能直接得到各组分材料（纤维束中纤维和基体、纤维束外基体）的细观应力分布，并基于纤维和基体失效准则，揭示了材料在单向拉伸载荷作用下的失效机理并预报了材料拉伸强度。数值分析结果与实验数据基本吻合，证明了该模型的有效性，经讨论材料主要工艺参数对拉伸强度和应力分布的影响，得到了一些有参考价值的结论。