三维编织复合材料的细观结构分析

三维编织复合材料的优异性能是与细观结构密切相关的,本文在深入研究编织纱线运动规律的基础上,讨论了三维编织结构的单元体模型,并推导了编织工艺参数和几何结构参数之间的数学关系,通过实验验证,证明了关系的正确性。     

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.     

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。     

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。     

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.     

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.      

复合材料编织接头承载能力的试验研究

 试验研究了用于航空结构的三维整体编织复合材料单耳承力接头在静载条件下的承载能力与破坏模式。单耳接头试样采用RTM(Resin Transfer Molding 树脂传递模塑)工艺制成,重点研究了由3种编织工艺（三维四向、三维五向和三维六向）、2种连接孔加工方式（机械钻孔和编织孔）、2种几何外形所组成的10组三维编织复合材料单耳承力接头的破坏机理与破坏载荷。对其在航空结构中的可应用性做出了评估。     

三维四向C/C复合材料高温氧化环境强度预测

在细观尺度下,基于逐渐损伤理论,建立了一种三维四向C/C复合材料高温强度预测模型。模型考虑了纤维束挤压后的截面形状、单胞的周期性以及纤维束和基体的脱黏等因素,引入考虑温度的三维Hashin失效准则进行单元的失效判定,预测了三维四向C/C复合材料室温和有防氧化保护700 ℃的拉伸强度。为了将模型发展到高温氧化环境,建立了考虑氧化速率的纤维束高温氧化环境力学性能退化模型,结合纤维束和单向板力学性能等价性原理,实现了无防氧化保护下三维四向C/C复合材料700 ℃拉伸强度的预测。研究了切边加工对三维四向复合材料强度的影响,建立了考虑切边宽度的切边三维四向复合材料强度预测模型,预测了有、无防氧化保护切边宽度为18 mm的三维四向C/C复合材料拉伸强度。结果表明:对非切边试验件在室温、有防氧化涂层700 ℃和无防氧化涂层700 ℃的预测误差分别为5.51%、7.20%和7.13%,拉伸过程的应力-应变曲线与试验结果吻合度较好;对切边试验件在室温和有防氧化涂层700 ℃的预测误差分别为0.88%和4.53%。多种类的算例表明预测模型合理、可靠。      

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.     

三维四向编织复合材料基本性能的有限元模拟

依据三维四向编织复合材料的结构特点,建立了能真实反映其空间构型的"双纽线"单元体胞模型,并以此为基础,采用有限元方法对C／SiC三维四向编织复合材料的基本性能参数进行了数值模拟,获得了该材料在制备冷却阶段的热变形行为以及残余应力和残余应变的分布状况,同时获得了制备后室温条件下该材料的等效弹性模量与等效热膨胀系数值。     

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。