复合材料的三维四向编织模型研究与力学性能分析

论文摘要

传统的层合复合材料具有较弱的层间性能,容易产生分层、剪切、基体开裂、疲劳寿命低等缺陷。编织复合材料由于多向纤维束的整体编织提高了复合材料的整体性和各个方向强度的均匀性,克服了传统层合复合材料的缺点,是一种新型的先进材料,在航空航天等领域有着广阔的应用前景。建立合理的三维编织复合材料结构模型,对其力学性能的有限元计算结果具有重要影响。本文以成型后的三维四向编织复合材料为研究对象,在实验观察和以往研究的基础上,提出了一个新的截面为椭圆形的“双纽线”型胞体结构模型,该模型正确地反映了纤维束的交织方式,更符合三维四向编织复合材料的实际细观结构。基于该单元模型推导了编织参数与结构模型参数之间的几何关系,计算了胞体中纤维体积。采用有限元软件对该模型进行了力学分析,得到了相关等效弹性性能参数,结果表明：有限元计算得到的三维编织复合材料的等效弹性性能与实验结果和理论预测值都吻合较好,从而验证了该模型的有效性。此外,基于新的单元胞体模型还确定了三维四向编织复合材料的应力场分布,验证了纤维增强机理,并为进一步的强度计算奠定了基础,并讨论了纤维编织角和纤维体积含量对三维编织复合材料等效弹性性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究的内容
• 1.4 课题研究的意义
• 第2章 复合材料力学性能分析的理论基础
• 2.1 有限元法
• 2.1.1 有限元法介绍
• 2.1.2 有限元法典型分析步骤
• 2.2 四步法三维编织过程
• 2.3 三维纱线的运动规律
• 2.3.1 编织纱线的面内运动规律
• 2.3.2 编织纱线的空间运动规律
• 2.4 三维编织复合材料的复合固化技术
• 2.5 ANSYS软件概述
• 2.6 本章小结
• 第3章 "双纽线"单元胞体模型的建立
• 3.1 椭圆形截面模型提出的依据
• 3.1.1 采用图象分析技术来获取纤维束的横截面形状
• 3.1.2 纤维束的截面形状
• 3.2 几何模型的基本假设
• 3.3 "双纽线"单元胞体几何模型
• 3.3.1 "双纽线"结构
• 3.3.2 "双纽线"单元胞体几何模型
• 3.4 材料特性
• 3.5 网格划分
• 3.6 "双纽线"单元胞体有限元模型
• 3.7 施加载荷和边界条件的确定
• 3.8 本章小结
• 第4章 单元胞体有限元分析
• 4.1 单元胞体静力分析
• 4.2 模型受力分析
• 4.2.1 单元胞体的位移场和应力场分布
• 4.2.2 纤维束与单元胞体受力对比
• 4.3 模型弹性常数分析
• 4.3.1 计算等效弹性模量和泊松比
• 4.3.2 计算剪切模量
• 第5章 模型的计算结果分析
• 5.1 计算结果与数值预测对比
• 5.2 计算结果与试验值对比
• 5.3 细观参数对等效弹性模量的影响
• 5.4 细观参数对剪切模量的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢