基于能量法的三维四向编织复合材料细观建模

基于三维四向编织携纱器运动规律和内部纤维束受力分析,提出一种基于能量法的细观建模方法,将建模过程分解为纤维束打紧后控制点的调整、纤维束相互挤压缠绕空间位置的改变和应变能最小时纤维束轨迹的确定.通过单胞模型几何尺寸分析,建立了单胞模型与编织参数之间的对应关系.该建模方法得到的纤维束模型互不干涉且紧密压实,纤维束轨迹为空间曲线与其两条相切直线组成,轨迹接近直线.通过实验对比,纤维束轨迹、模型横截面图与电镜扫描得到的图像一致,计算得到的编织结构尺寸与实验测得数据吻合.花节长度最大计算相对误差在5%左右,特别是编织角在21°左右时,计算相对误差在2%以下.      

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。     

织物细观结构参数对编织复合材料弹性性能的影响

根据作者提出的二维波纹细观力学模型,在考虑了实际织物结构中存在的经向和纬向纤维的波纹;相邻纤维束之间的间隙;纤维束的横截面尺寸和织物的叠层构造状态对编织复合材料弹性性能的影响下,给出了织物细观结构参数与编织复合材料弹性性能之间的变化关系。通过参数分析探讨了不同结构参数对编织复合材料弹性性能的影响。     

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。     

碳布叠层穿刺复合材料多尺度传热特性研究

为了深入认识复合材料的多尺度传热特性,预测复合材料宏观热物性参数,基于通用单胞思想和多尺度传热特性分析,建立了一种有效预测碳布叠层穿刺复合材料等效热物性参数的方法。基于电镜扫描分析了纤维束和编织结构的特征,采用通用单胞思想,建立了介/细观传热分析模型,通过数值仿真进行了一系列的多尺度传热特性分析,譬如:纤维体积分数对纤维束结构传热特性的影响、穿刺纤维束大小对编织结构传热特性的影响分析,在此基础上,建立了胞体模板扩展,初步将介/细观结构研究规律应用到宏观结构热物性预测,并进行多层胞体传热特性分析。验证实验表明:等效热物性预测值与实验值吻合较好,方法有效,为深入理解认识碳布叠层穿刺复合材料的介/细观传热特性提供了有效的分析手段。     

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.     

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料（2DTBC）的压缩破坏机理,建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略,根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为,通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态,并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上,分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程,研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化,探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比,该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为,以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明,二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的;横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。     

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。     

可用于短舱结构的机织复合材料几何参数对力学性能的影响分析

基于建立的复合材料渐进失效模型(PD model),通过引入机织复合材料纤维束波动形态特征,对PD模型进行了修正。通过与实验结果及其它模型结果的对比验证了修正后模型的有效性。同时,采用PD模型系统,全面地分析了平纹机织复合材料的几何参数包括波动角、编织角、总体纤维体积分数对其力学性能的影响,获得了机织复合材料力学性能随几何参数变化的趋势。其中指出Graphite/Epoxy机织复合材料由于其纤维与基体模量差异性较大而造成其力学性能相较于E-glass/Epoxy机织复合材料受波动角的影响较大;编织角对机织复合材料面内力学性能的影响更为显著,面内力学性能随编织角的变化以一种波动形式出现;机织复合材料的总体纤维体积比越大,纤维束的力学性能就越强,机织复合材料的力学性能也就越强,且这一增长趋势接近于指数增长。     

考虑孔隙的三维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法

提出了利用气孔单元并考虑基体孔隙随机分布来预测三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的方法.通过工业computed tomography(CT)扫描技术测得孔隙率,在胞元模型中利用Monte-Carlo仿真技术在基体上随机投入气孔单元来模拟三维编织陶瓷基复合材料中的孔隙,利用胞元有限元模型计算了孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的影响规律.结果表明:①孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数具有明显的影响;②对给定的孔隙率,孔隙的位置分布对沿纤维束方向弹性模量的影响较小;③随着孔隙率增加,沿纤维束方向弹性模量降低.同时,开展了SiC/SiC复合材料的室温拉伸试验,弹性模量计算值和试验结果吻合较好,表明该方法可以用来预测含孔隙的三维编织陶瓷基复合材料的弹性常数.      

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.     

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.     

三维编织复合材料矩形预制件仿真

根据矩形编织体4步编织法的纱线运动规律,提出了利于图形建模的纱线单胞模型。用SolidWorks软件的API接口及VisualC⁺⁺语言,编制了自动生成编织体的软件,该软件能模拟不同编织参数下的矩形三维编织整体结构。本文对编织角为22°,33°;纤维体积百分数为40%,30%;主体纱为2×2,2×4,4×4,4×6的编织结构进行了模拟,其结果与实际编织体的照片基本一致,说明此模拟是有效的。解决了编织预制体内部分析困难的问题,为使用有限元分析三维编织复合材料的力学性能奠定了基础。     

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。     

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。     

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...