纺织复合材料力学性能数值模拟方法研究进展

以各类织物作为增强体的纺织复合材料具有复杂的细微观结构,且表现出明显的多尺度结构特征,通常基于连续介质力学的理论方法很难对这类复合材料的强度及其损伤等行为进行准确的定量描述,而以有限元为代表的数值模拟方法被广泛地应用于预测工艺参数、预制体结构与力学性能之间的定量关系,为纺织复合材料的优化设计及应用提供了理论指导。对纺织复合材料的力学性能数值模拟方法在近些年取得的研究进展进行了简要综述。首先重点介绍了纺织复合材料最新的几何模型建模技术;其次对纺织复合材料刚度、强度和损伤演化数值预测方法进行了回顾;然后讨论了现有的多尺度分析方法的优缺点和适用范围;此外,还简单介绍了机器学习在纺织复合材料力学性能预测中的应用;最后对纺织复合材料力学性能数值模拟研究存在的问题和发展方向进行了展望。     

编织复合材料预制体铺覆成型的数值模拟

针对平面编织复合材料预制体在曲面铺覆过程中的局部变形,建立了三维有限元模型,利用商业有限元软件Abaqus模拟了预制体在铺覆成型过程中的纤维束变形规律。研究了0°和45°碳纤维织物在球面铺覆过程的变形过程和局部剪切变形。结果表明,纤维束之间的滑动和纤维束起皱是该预制体在球面铺覆过程中的典型变形模式。在0°织物的球形铺覆变形中,0°和90°纤维束的剪切变形角最小,45°方向纤维束的剪切变形角最大;在45°织物的铺覆变形中,0°和90°纤维束的剪切变形角最大,45°方向纤维束的剪切变形角最小。     

起圈织物增强复合材料冲击性能仿真分析研究

<正>起圈织物是一种新型的机织织物,相对于平面机织织物,起圈织物具有特殊的三维结构,其织物表面含有一定高度的z方向的毛圈。起圈织物增强复合材料是以起圈织物作为增强相的新型机织复合材料,其预制体的毛圈嵌入复合材料的树脂层,能有效提升复合材料的抗剪切、抗冲击能力,也能有效提高其层间韧性和层间强度。现阶段层合板低速冲击的研究主要分为试验方面和数值模拟方面。在试验研究方面,郑晓霞等~[1]通过准静态压痕试验对低速冲击问题进行了研究;郭渊等~[2]通过     

机织结构预成型体本构关系和剪切性能

综述了国内外纺织预成型体的剪切性能及其本构关系的研究进展。在简要介绍机织预成型体的分类及其结构和特性的基础上,从实验方法、本构关系以及变形模拟等方面概述了纺织预成型体剪切性能的研究进展,对比分析了纺织预成型体剪切性能的测试方法,描述了纺织预成型体剪切变形的几何非线性和材料非线性的特征,总结了纺织预成型体的本构模型以及可成型性数值模拟方面的研究成果,并提出了目前存在的问题和今后的发展方向。     

C/C复合材料预制体的研究进展

C/C复合材料是航空航天领域重要的热结构材料,碳纤维预制体是其最主要的基础技术之一,决定着C/C复合材料的各项性能。本文主要介绍了针刺毡、细编穿刺预制体和轴棒编织预制体等C/C预制体,对比了不同预制体的工艺方法、性能和应用特点。针刺毡预制体由于成本低、烧蚀均匀等特点,广泛应用在固体火箭发动机喷管和飞机刹车盘领域;细编穿刺预制体具有纤维体积含量高、致密化周期短和烧蚀率低等特点,应用在固体火箭发动机喉衬;轴棒编织预制体由于织物中70%以上纤维垂直于燃气流方向,提高了材料的抗烧蚀性能,适于制造大型固体火箭发动机。针对国内预制体的研究状况,提出了要加强预制体的孔隙结构、纤维排布等对C/C复合材料的力学、热物理学以及后续致密化工艺影响的研究,更好地促进预制体的发展,进一步提升我国C/C复合材料的性能。     

平纹芳纶织物/环氧树脂复合材料抗冲击性能研究

采用试验和数值的方法对30层芳纶织物复合材料的抗冲击性能进行了研究。首先对30层芳纶织物复合材料进行了子弹打靶冲击试验,得到芳纶复合材料在子弹冲击下的鼓包、穿透、纤维断裂等信息;其次,建立复合材料冲击有限元模型,并基于Hashin断裂准则模拟了织物在冲击载荷作用下的失效和断裂行为,采用Cohesive单元模拟材料的变形和层间开裂失效,得到了材料在冲击作用下的位移场、应变场、界面分层、纤维断裂以及子弹的冲击速度变化等信息。最后,对试验测量和有限元分析结果进行对比,分析了复合材料在冲击载荷作用下的能量吸收、能量耗散等抗冲击性能,为材料的工程应用提供参考。     

复合材料缝合预制体的研究

缝合技术作为复合材料预制体成型的主要方法,在航空领域应用广泛。临缝、链式缝合和锁式缝合是缝合技术中较为常用的3种缝合方式,不同的缝合方式对缝合复合材料预制体的渗透特性和压缩特性产生的影响不同。同时缝合参数包括针距和行距对缝合复合材料预制体的渗透特性和压缩特性会也产生不同的影响。本文通过试验分别研究了临缝、链式缝合和锁式缝合3种缝合方式以及不同的针距和行距对缝合复合材料预制体渗透特性和压缩特性的影响。试验结果表明,缝合预制体的渗透率均大于未缝合织物的渗透率,且链式>锁式>临缝,链式缝合预制体随着缝合针距的增加,渗透率显著增大,临缝预制体的渗透率随行距的增加而减小;缝合预成型体厚度压缩率的大小关系为：临缝>链式>未缝合;链式缝合预制体的厚度压缩率随着缝合密度的增加而增加;临缝的压缩率随着针距的增大而减小。     

考虑温度效应的干纤维预制体压缩蠕变模型

纤维织物预制体蠕变/回复行为的描述对于模拟复合材料的制造过程至关重要。为分析与预测CF3031干纤维预制体在预成型过程中的厚向变形行为，进行了干纤维预制体的蠕变/回复实验，并对实验结果进行计算分析，建立了材料本构模型。首先，采用最小二乘法原理和叠加原理对比分析不同蠕变计算模型对CF3031干纤维预制体蠕变/回复实验数据的蠕变部分及整体拟合效果。结果表明，Burgers模型整体计算效果优于其他模型。而后，在传统Burgers模型的基础上，提出了1个单方程形式且适用于不同的蠕变应力和预成型温度的材料模型，用于描述干纤维织物预制件时间依赖性的厚向蠕变/回复行为。模型系数根据实验数据分析及最小二乘法获取。最后，将建立的本构模型用于预测新设计的实验结果，结果显示实验曲线与模型预测曲线基本吻合，证明了该方法的有效性。     

国产CCF300碳纤维及其NCF织物的性能

为牵引和推动国产碳纤维及其织物在复合材料液体成型技术中的进一步应用,对国产CCF300碳纤维表面特性、CCF300 45°/-45°和CCF300 0°/90°两种非屈曲经编织物(NCF)的编织工艺性、铺覆变形性以及NCF织物增强复合材料的力学性能进行了系统表征。研究结果表明:国产CCF300碳纤维表面物化活性较高;CCF300 0°/90°编织织物的编织工艺更稳定;NCF织物增强复合材料具有与单向织物增强复合材料相当的力学性能,同时兼具良好的结构稳定性、铺覆性和成型性,具备成为复杂形状预成型体的可行性。     

三维角联锁机织复合材料剪切性能有限元分析

使用三维绘图软件Pro/E 5.0构建出一种三层角联锁机织复合材料的细观结构模型,借助有限元软件ANSYS对复合材料在剪切力作用下纤维与树脂的应力、应变分布进行数值模拟,并借此分析该复合材料在剪切作用下的力学行为,并预测复合材料破坏模式。结果表明:复合材料在剪切力作用下发生沿剪切力方向程度较均匀的剪切变形;纤维相对于树脂承受更多剪切力作用,产生更大应力,但发生相对较小的应变;纤维中轴向与剪切力方向平行的经纱相对轴向垂直于剪切力的纬纱表现出更大的应力和应变。     

A review of numerical analyses and experimental characterization methods for forming of textile reinforcements

The forming of textile reinforcements is an important stage in the manufacturing of textile composite parts with Liquid Composite Molding process. Fiber orientations and part geometry obtained from this stage have significant impact on the subsequent resin injection and final mechanical properties of composite part. Numerical simulation of textile reinforcement forming is in strong demand as it can greatly reduce the time and cost in the determination of the optimized processing parameters, which is the foundation of the low-cost application of composite materials. This review presents the state of the art of forming modeling methods for textile reinforcement and the corresponding experimental characterization methods developed in this field. The microscopic, mesoscopic and macroscopic models are discussed. Studies concerning the simulation of wrinkling are also presented since it is the most common defect occurred in the textile reinforcement forming. Finally, challenges and recommendations on the future research directions for textile reinforcement modeling and experimental characterization are provided.     

基于有限元方法的复合材料层合板自由振动分析

利用有限元分析方法分别研究了正交各向异性、对称角和反对称角铺设的正方形复合材料层合板的线性和非线性自由振动问题.结合一阶剪切变形理论推导出层合板自由振动的有限元方程,构造了三维有限元模型,并对其基频进行计算.数值结果与其他的文献的结果对照表明,用有限元方法求得的基频与用各阶剪切变形理论求得的结果非常接近,但对于厚板结果与经典Kirchhoff的结果有一些差距,对于其他理记是一致的.     

基于三角剪切变形理论的对称层合板振动分析

根据三角剪切变形层合梁理论,推导出对称复合材料层合板的运动微分方程,利用逆复合二次径向基函数无网格配点法对运动微分方程进行离散,预测了对称复合材料层合板的自由振动特性。将不同材料参数、几何尺寸的层合板固有频率计算结果与相关文献中的结果进行对比,结果表明：用逆复合二次径向基函数离散的三角剪切变形理论在对称复合材料层合板自由振动分析方面具有一定的精度。     

固化工艺影响L形复合材料制件固化变形研究

通过数值模拟方法,利用ABAQUS有限元仿真软件,模拟含R角的复合材料构件的固化过程.根据已有的固化工艺,比较不同工艺条件对复合材料构件固化过程中的温度场和固化度场及变形的影响.结果表明,合理地降低固化工艺温度和固化冷却速率可以减少残余应力的积累,缓解固化变形.     

Nonlinear bending analysis of a 3D braided composite cylindrical panel subjected to transverse loads in thermal environments

The aim of this study is to investigate nonlinear bending for a 3-Dimensional(3D)braided composite cylindrical panel which has transverse loads on its finite length. By refining a micro-macro-mechanical model, the 3D braided composite can be treated as a representative average cell system. The geometric structural properties of its components deeply depend on their positions in the section of the cylindrical panel. The embedded elastic medium of the panel can be described by a Pasternak elastic foundation. Via using the shell theory of the von Ka′rma′nDonnell type of kinematic nonlinearity, governing equations can be established to get higherorder shear deformation. The mixed Galerkin-perturbation method is applied to get the nonlinear bending behavior of the 3D braided cylindrical panel with a simply supported boundary condition.Based on the analysis of the braided composite cylindrical panel with variable initial stress, geometric parameter, fiber volume fraction, and elastic foundation, serial numerical illustrations are archived to represent the appropriate nonlinear bending responses.     

Analytical Solution for Predicting In-plane Elastic Shear Properties of 2D Orthogonal PWF Composites

This paper proposes a new analytical solution to predict the shear modulus of a two-dimensional(2D) plain weave fabric(PWF) composite accounting for the interaction of orthogonal interlacing strands with coupled shear deformation modes including not only relative bending but also torsion,etc.The two orthogonal yarns in a micromechanical unit cell are idealized as curved beams with a path depicted by using sinusoidal shape functions.The internal forces and macroscopic deformations carried by the yarn families,together with macroscopic shear modulus of PWFs are derived by means of a strain energy approach founded on micromechanics.Three sets of experimental data pertinent to three kinds of 2D orthogonal PWF composites have been implemented to validate the new model.The calculations from the new model are also compared with those by using two models in the earlier literature.It is shown that the experimental results correlate well with predictions from the new model.     

共固化成型复合材料加筋壁板的固化变形仿真技术研究

针对共固化成型的复合材料加筋壁板,建立了固化变形模拟计算流程,并开展了T800碳纤维/环氧树脂复合材料工形加筋壁板的固化变形预测,数值预测结果与试验测试结果吻合较好,验证了计算方法的合理性;基于模拟计算,进一步分析了温度工艺参数包括升/降温速率、保温时间等以及结构尺寸参数包括长桁宽度、高度和圆角半径等对加筋壁板固化变形...     

基于剖面翘曲修正理论的复合材料叠层梁动态特性分析

 利用复合材料叠层结构剖面翘曲修正理论和瑞利原理，导出了叠层梁的固有振动方程，然后利用升阶谱有限元法作数值计算，给出了叠层梁的动态特性及相应的动应力分布。与一阶剪切理论相比，指出一阶剪切理论在高频计算时有较大的误差