三维编织陶瓷基复合材料刚度模型及刚度性能分析研究

论文摘要

三维编织陶瓷基复合材料（CMCs）具有诸多优异的高温力学性能,逐渐替代高温合金材料在航空航天热端部件得到越来越广泛的应用。由于三维编织CMCs的细观结构复杂,以及CMCs力学性能分析的不成熟,再加上三维编织CMCs由于其特有的成型工艺造成纤维性能的改变,界面层、空洞又使得问题复杂化,目前国内外对三维编织CMCs的刚度性能研究很少。因此,开展三维编织CMCs力学性能研究具有重要的理论意义和工程价值。本文主要进行了以下几方面的研究:（1）提出三维纵横步进编织预制件及复合材料结构的仿真方法并开发三维纵横步进编织的仿真系统。基于纵横步进编织的编织原理,通过引入编织图的概念,首先采用数学中集合和置换理论建立编织模式与方格阵之间的数学模型,将编织过程转换为数学运算过程,随后开发三维编织物空间形状和位置数据的设计计算程序,并通过Bezier曲线拟合纱线路径,从而建立三维四步法编织预制件及复合材料的计算机仿真方法;随后,利用Visual C++ 6.0并以UG NX2.0为仿真平台开发纵横步进编织的仿真系统。（2）将三细胞模型改进并发展提出三维编织CMCs的细观几何模型。模型包括内部单胞、两种表面单胞和棱角单胞三种单胞类型,通过详细分析各单胞中纤维束走向来考虑纤维束内部的弯曲,通过描述界面层对纤维细观尺寸的影响来考虑纤维表面沉积的界面层结构,通过在各类单胞内引入平均纱线填充因子来考虑纤维束内部的挤压情况。在此基础上推导编织工艺参数以及模型结构参数之间的关系。（3）建立三维编织CMCs的拉压刚度模型。模型考虑纤维束之间的孔洞以及纤维就位性能的影响。在分析时首先根据组分性能确定三种单胞类型中的单向复合材料杆的刚度矩阵,然后得到各单胞在整体复合材料坐标系下的刚度矩阵,进而采用刚度平均化方法求解三维编织CMCs的总刚度矩阵。随后对三维编织C/SiC复合材料刚度性能进行预测,通过与试验结果比较,验证所建立模型的正确性。（4）应用本文提出的拉压刚度模型,数值分析研究纤维体积含量和编织角对三维编织CMCs各类单胞刚度性能的影响规律;数值分析研究纤维体积含量、编织角、试件编织体列数、界面层厚度以及孔洞体积含量等细观结构参数对三维编织CMCs刚度性能的影响规律;并分析研究基体性能、纤维性能等组分材料性能参数对三维编织CMCs刚度性能的影响。（5）提出三维编织CMCs的弯曲刚度模型。将复合材料结构分为上、下表面层和内部层,推导各层的刚度矩阵,并基于材料力学相关理论建立弯曲刚度矩阵。随后对三维编织C/SiC复合材料弯曲模量进行预测,通过与试验结果比较,验证所建立模型的正确性。随后进一步研究各细观结构参数以及材料组分性能对弯曲刚度的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 连续纤维增强陶瓷基复合材料的发展及应用
• 1.2.2 三维编织树脂基复合材料刚度性能的细观力学研究现状
• 1.2.3 纺织陶瓷基复合材料力学性能研究现状
• 1.2.4 三维编织陶瓷基复合材料力学性能研究存在的问题及解决思路
• 1.3 本文的主要研究工作及论文结构安排
• 第二章 三维四步法编织预制件及复合材料的计算机仿真研究
• 2.1 三维纵横步进编织预制件及其复合材料结构件的仿真方法
• 2.1.1 纵横步进编织法的基本编织原则
• 2.1.2 纵横步进编织法的描述
• 2.1.3 三维编织纱线屈曲状态的描述
• 2.1.4 三维纵横步进编织预制件及其复合材料的仿真软件编制及仿真系统.
• 2.2 三维纵横步进编织预制件及其复合材料结构的仿真
• 2.2.1 三维纵横步进编织工艺底盘运动规律的模拟
• 2.2.2 三维纵横步进编织预制件算例仿真
• 2.2.3 三维纵横步进编织复合材料算例仿真
• 2.2.4 异型截面的三维纵横编织预制件算例仿真
• 2.3 小结
• 第三章 三维四步法编织陶瓷基复合材料细观几何模型研究
• 3.1 基本假设
• 3.2 考虑界面层时的细观参数
• 3.2.1 界面层的体积含量
• 3.2.2 考虑界面层时的纤维细观尺寸
• 3.3 三维编织陶瓷基复合材料的细观几何模型
• 3.3.1 内部单胞
• 3.3.2 表面单胞
• 3.3.3 棱角单胞
• 3.3.4 三种单胞的几何模型
• 3.3.5 内部、表面和角部单胞所占整体结构体积比例
• 3.3.6 三维编织陶瓷基复合材料的几何尺寸与编织参数的关系
• 3.3.7 三维编织陶瓷基复合材料纤维束内纤维体积含量的确定
• 3.3.8 三维编织陶瓷基复合材料纤维体积含量
• 3.4 小结
• 第四章 三维编织陶瓷基复合材料的拉压刚度模型及刚度性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 纤维束特性研究
• 4.2.1 纤维束刚度性能分析
• 4.2.2 纤维束工程弹性常数的确定
• 4.3 三维编织陶瓷基复合材料拉压刚度模型
• 4.3.1 三维编织CMCs 单胞刚度模型
• 4.3.2 内部单胞刚度矩阵
• 4.3.3 表面单胞刚度矩阵
• 4.3.4 棱角单胞刚度矩阵
• 4.3.5 三维编织CMCs 的刚度矩阵
• 4.4 三维编织陶瓷基复合材料拉压刚度性能分析
• 4.4.1 三维编织C/SiC 复合材料拉压刚度性能预测算例分析与验证
• 4.4.2 考虑界面层及纤维束填充因子变化与否的拉压刚度性能算例分析
• 4.5 小结
• 第五章 三维编织陶瓷基复合材料拉压刚度性能影响因素分析
• 5.1 引言
• 5.2 细观结构几何参数对三维编织陶瓷基复合材料拉压刚度性能的影响
• 5.2.1 纤维体积含量和编织角对刚度性能的影响
• 5.2.2 试件编织体列数对三维编织CMCs 刚度性能的影响
• 5.2.3 界面层厚度对三维编织CMCs 刚度性能的影响
• 5.2.4 孔洞体积含量对三维编织CMCs 刚度性能的影响
• 5.3 组分材料性能对三维编织陶瓷基复合材料拉压刚度性能的影响
• 5.3.1 基体模量对三维编织CMCs 刚度性能的影响
• 5.3.2 纤维模量对三维编织CMCs 刚度性能的影响
• 5.4 小结
• 第六章 三维编织陶瓷基复合材料的弯曲刚度模型及弯曲刚度性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 三维编织陶瓷基复合材料的弯曲刚度模型
• 6.2.1 三维编织CMCs 复合材料几何结构分析
• 6.2.2 三维编织CMCs 内部层和表面层刚度性能
• 6.2.3 三维编织CMCs 弯曲模量
• 6.3 三维编织陶瓷基复合材料的弯曲刚度性能预测
• 6.4 三维编织C/SIC 复合材料弯曲刚度性能影响因素分析
• 6.4.1 纤维体积含量和编织角对弯曲刚度性能的影响
• 6.4.2 试件列数对三维编织CMCs 弯曲刚度性能的影响
• 6.4.3 界面层厚度对三维编织CMCs 弯曲刚度性能的影响
• 6.4.4 孔洞体积含量对三维编织CMCs 弯曲刚度性能的影响
• 6.4.5 基体模量对三维编织CMCs 弯曲刚度性能的影响
• 6.4.6 纤维模量对三维编织CMCs 弯曲刚度性能的影响
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文主要工作总结
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 有待进一步完善的工作
• 致谢
• 在学期间的研究成果
• 参考文献
• 附录