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...     

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.     

黏弹性树脂基三维编织复合材料的变温松弛模量

 利用均匀化方法,计算了树脂基三维编织复合材料在不同温度下的恒温松弛模量,通过对计算结果的分析,提出了树脂基三维编织复合材料松弛模量具有时温等效性的假设,并用数值方法验证了此假设的合理性。以该假设为基础,建立了由树脂基三维编织复合材料恒温松弛模量确定其变温松弛模量的一般方法。对模型施加合理的周期性边界条件后计算了材料编织方向的变温松弛模量,并对比了不同温度变化速率对变温松弛模量的影响。结果表明,对应于不同的温度变化历史,树脂基三维编织复合材料有不同的变温松弛模量,但稳态值相同,且快速升温可明显缩短变温松弛模量到达稳态的时间。     

三维编织复合材料研究进展

重点回顾了三维编织复合材料各发展阶段的关键性成果,从研究方法和研究方向两个角度,对该领域的重要研究成果和笔者所在课题组的最新研究成果进行了评述。在编织工艺方面,重点介绍了编织物的细观结构和适用领域,指出了细观结构对最大纤维体积分数的影响和当前流行的建模方法,并且将周期性单胞划分方法和纱线截面形状的模拟归纳为参数化建模中的两个关键问题。对力学性能的研究成果进行了综述,在试验方面,重点介绍了编织角的变化对材料各种性能的影响;在理论方面,重点评述了几种多尺度细观力学方法和特征单元法。最后,对有待于进一步研究的问题进行了展望。     

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.     

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。     

不同编织结构Cf/Al复合材料高温压缩性能与失效机理

对基于真空气压浸渗法制备的三维五向、三维正交、叠层穿刺和2.5D浅交直联4种不同编织结构C_f/Al复合材料,分别在350℃和400℃下进行压缩试验,分析其高温压缩性能以及温度对复合材料压缩性能的影响,并进一步利用SEM观察叠层穿刺结构的断口形貌,探讨其压缩失效机理。结果表明,不同编织结构的复合材料在高温环境下压缩性能差异较大,三维正交结构的压缩强度最高,在350℃和400℃下分别为351.4 MPa和288.6 MPa;2.5D浅交直联结构的压缩强度最低,分别为87.3 MPa和52.2 MPa。同时不同编织结构的C_f/Al复合材料高温稳定性也存在较大差异,当温度由350℃升高到400℃时,2.5D浅交直联结构的压缩强度下降幅度较大,约为40.2%,其高温压缩稳定性较差;叠层穿刺结构的压缩强度下降幅度较小,约为4.0%,其高温压缩稳定性较好。叠层穿刺结构复合材料的高温压缩失效过程根据切线模量特征可分为两个阶段：第一阶段基体合金承受主要载荷,第二阶段基体与增强纤维共同承受载荷。     

一种新的三维四步编织复合材料几何模型及其在宏观弹性性能预测中的应用

 为了准确预测三维四步(1×1)编织复合材料的宏观弹性常数，提出了一种考虑纤维束三维几何结构和纤维束与基体相互作用、便于有限元网格划分的单胞几何模型，该模型精确地反映了纤维体积比。以该几何模型为基础，用六面体单元分别对纤维束和基体进行了网格划分，满足了纤维束与基体界面间的位移连续条件。采用有限元模型计算了编织复合材料的宏观弹性常数，与其他计算结果和实验结果的比较表明，该几何模型和有限元模型比较合理。     

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     

非周期性三维五向编织复合材料拉伸失效机理

以三维五向结构为研究对象,设计减纱工艺形成非周期性特征,进而制备碳纤维/环氧树脂三维五向编织非周期性结构复合材料。采用万能试验机与高速摄像机相结合的测试方式,获取非周期性结构拉伸力学行为及试验过程;在此基础上,通过高分辨率Micro-CT及SEM对非周期性结构试样破坏形貌进行观测,研究渐进损伤演化及最终失效机理,并与周期性结构的结果进行对比。研究表明:非周期性三维编织复合材料拉伸强度比相同结构参数周期性材料的测试值低16. 84%,损伤源于减纱处,形成了应力集中,最终破坏模式以纤维束抽拔断裂为主。该研究结果可为异型编织复合材料结构设计及强度分析提供依据。     

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。     

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.     

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.      

复合材料三维编织工艺计算机辅助设计

复合材料三维编织技术经过近几年的发展，得到了显著的提高。本文论述运用计算机进行三维四步法编织工艺辅助设计，主要包括编织挂纱核子运动分析、织物结构模型和工艺计算三部分，文章分别从设计原理、设计思想、程序流程三方面进行说明。经使用证明，所开发的CAD软件具有实用性、合理性和高可靠性等优点。