三维编织复合材料编织几何和力学性能的细观分析

论文摘要

本文研究了三维编织复合材料的细观编织几何结构和细观力学数值模型,论文包括如下三个方面的工作:(1)从四步法编织工艺入手,分析了三维编织物中纱线的运动规律,模拟了横截面内任一纱线的空间运动轨迹,在此基础上提出了一种新的单胞划分方法;对实际的三维编织复合材料连续切片照相,并对细观照片进行图象处理,得到内部、表面和角点处纤维束横截面的形状和纤维束的空间走向,为细观力学建模提供了依据。(2)在细观几何分析的基础上,建立了三维细观有限元单胞模型,讨论了不同区域纤维束填充因子的选取和单胞合理边界条件的施加方法,计算了内部、表面单胞的平均弹性常数。研究了内胞、面胞的弹性常数随纤维体积含量的变化关系。(3)在(2)的研究基础上,用三维有限元模型预测了三维编织复合材料试验件的弹性常数,并将结果同倾斜层板模型进行了对比分析,用试验验证了细观力学模型的可靠性。对具有不同表面单胞体积含量三维编织复合材料进行了弹性常数的分析,得出表面编织尺寸效应对材料整体性能影响的规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究方法
• 1.3 三维编织复合材料的研究进展
• 1.3.1 细观几何模型研究
• 1.3.2 刚度性能研究
• 1.4 存在的不足
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 三维四向矩形编织复合材料的细观几何分析
• 2.1 概述
• 2.2 三维编织工艺简介
• 2.3 三维编织中纱线的运动规律分析
• 2.4 三维编织中纤维束横截面形状及其走向的研究
• 2.4.1 三维编织复合材料切片
• 2.4.2 三维编织复合材料切片照片采集
• 2.4.3 纤维束截面形状提取及三维重建
• 2.5 细观结构的周期性分布及新的单胞划分方法
• 2.5.1 细观结构的周期性分布
• 2.5.2 新的单胞划分方法
• 2.6 小结
• 第三章 三维编织复合材料弹性性能的细观数值分析
• 3.1 单胞结构及几个重要参数
• 3.1.1 编织角
• 3.1.2 纱线填充因子
• 3.1.3 纤维体积分数
• 3.2 细观有限元模型的建立
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 细观有限元模型
• 3.2.3 不同区域纱线填充因子的确定
• 3.3 内、面胞边界条件的施加
• 3.3.1 统一周期性边界条件
• 3.3.2 内、面胞的边界条件
• 3.4 内、面胞弹性性能的计算
• 3.4.1 基本理论与方法概述
• 3.4.2 内、面胞的刚度矩阵
• 3.4.3 矩形单胞平均弹性常数的计算和讨论
• 3.5 小结
• 第四章 三维编织复合材料宏观平均弹性性能及试验验证
• 4.1 三维编织复合材料宏观力学分析
• 4.2 三维编织复合材料拉伸实验
• 4.2.1 试件的制备
• 4.2.2 试验设备与仪器
• 4.2.3 试验步骤与数据结果处理
• 4.3 编织尺寸效应对三维编织复合材料弹性性能的影响
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文