三维整体编织C/C复合材料预制体结构仿真与弹性性能预测

论文摘要

三维整体编织C／C复合材料具有一系列优异物理特征和力学性能，如优异的高温特性、抗分层／冲击损伤能力强、垂直方向强度高、开裂不敏感和损伤扩展慢等，这些优良品质主要依靠预制体的细观结构和碳纤维／基体的力学性能和物理特性获得。但是三维整体编织C／C复合材料的CVI致密化特点导致材料的制备周期长、生产效率低、试验费用高，从而限制了它的发展和推广使用。为降低成本，缩短工艺参数优化的周期，本论文采用计算机模拟技术，从纤维束空间形态、相互交织和挤压变形等方面对不同编织参数的预制体结构及其孔隙的分布进行模拟分析，建立了适于预测三维整体编织C／C复合材料的力学模型，并对不同编织参数的三维整体编织C／C复合材料的弹性模量进行预测。主要内容包括：分析了四步编织法的纤维束携带器运动规律、纤维束的空间走向及其截面变形，建立了主体纤维束排列方式、编织角、纤维体积百分数及填充系数间的关系。提出了纤维束单胞模型，用椭圆形简化纤维束单胞截面，用直线描述纤维束单胞轴线在预制体内部的空间形态，用螺旋线描述其在预制体表面和边角的空间形态。在此基础上分析了主体纤维束数、填充系数、纤维体积百分数与编织角间的相互影响规律。借助于VC++和SolidWorks软件，实现了任意主体纤维束组合、不同编织参数编织的预制体和纤维束间的孔隙实体的模拟。使复杂的预制体内部微结构、孔隙分布、形状和大小可视化；计算了纤维束间孔隙的体积、表面积。结合束间孔隙单位体积表面积与纤维体积百分数、编织角的变化曲线，分析了束内束间孔隙的形状、大小随编织参数的变化规律及其机理。建立了保证纤维束连续性，考虑空间纤维束弯曲和截面变形的纤维束单胞力学模型。推导了三维整体编织复合材料的总刚度矩阵，建立了三维整体编织复合材料弹性性能常数的分析模型。对不同编织参数的三维整体编织C／C复合材料进行弯曲力学性能试验，同时研究了编织参数与纤维连续性对三维整体编织C／C复合材料的弯曲力学性能的影响。试验研究表明，在一定的体积百分数下，随编织角增加，材料的弯曲模量与弯曲强度随着编织角的减小而增大。在编织角一定的条件下，其弯曲模量与弯曲强度随着体积百分数的增加而增加。而三维整体编织C／C复合材料试样切边，导致材料的纤维束不连续，使得弯曲模量增加，弯曲强度减小。基于孔隙模拟、纤维束单胞模型和实验结果，建立了预测三维整体编织C／C复合材料的弹性性能的模型，实现了用CVI和超高压沥青浸渍碳化制备三维整体编织C／C复合材料弹性模量的快速预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 三维编织C/C复合材料预制体结构的研究现状
• 1.3 三维编织体细观结构力学模型的研究现状
• 1.3.1 取向平均模型
• 1.3.2 “米”字枝状模型
• 1.3.3 纤维倾斜模型
• 1.3.4 多单胞模型
• 1.3.5 其他理论
• 1.4 三维编织复合材料实验研究现状
• 1.4.1 非碳基三维编织复合材料实验研究现状
• 1.4.2 三维编织C/C复合材料实验研究现状
• 1.5 本论文的研究意义、内容和成果
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 主要创新研究成果
• 参考文献
• 第二章 三维整体编织预制体结构分析
• 2.1 引言
• 2.2 三维编织
• 2.2.1 实体编织
• 2.2.2 二步法三维编织
• 2.2.3 四步法三维编织
• 2.3 四步法1:1三维整体编织运动规律分析
• 2.3.1 携带器的总数
• 2.3.2 携带器运动轨迹
• 2.4 编织参数
• 2.4.1 纤维束的总数
• 2.4.2 花节长度
• 2.4.3 组织循环步数
• 2.4.4 纤维束直径和填充系数
• 2.4.5 纤维体积百分数
• 2.4.6 编织角
• 2.5 纤维束单胞
• 2.5.1 纤维束单胞的定义
• 2.5.2 纤维束单胞的直线模型
• 2.5.3 纤维束单胞的曲线模型
• 2.5.4 纤维束单胞截面参数
• 2.6 纤维体积百分数与编织角，主体纤维束数的关系
• 2.6.1 基本假设
• 2.6.2 纤维束长度L值的计算
• 2.6.3 纤维体积百分数与编织角的关系
• 2.6.4 纤维束数与纤维体积百分数关系
• 2.6.5 纤维束数与编织角关系
• 2.7 本章小结
• 参考文献
• 第三章 三维整体编织预制体结构模拟
• 3.1 引言
• 3.2 纤维束单胞分离数值元
• 3.2.1 轴线控点坐标
• 3.2.2 数值元控点计算量的简化
• 3.2.3 椭圆长短轴方向
• 3.3 编织结构的模拟
• 3.3.1 编织模拟实体
• 3.3.2 模拟结果分析
• 3.4 孔隙结构模拟实体
• 3.4.1 孔隙模拟实体空间确定
• 3.4.2 孔隙模拟实体
• 3.4.3 孔隙实体参数变化规律
• 3.4.4 模拟结果分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 三维整体编织复合材料纤维束单胞力学模型
• 4.1 引言
• 4.2 3D体积单胞力学模型
• 4.3 纤维束单胞力学模型
• 4.3.1 编织结构整体及纤维束单胞
• 4.3.2 纤维束单胞力学模型
• 4.4 整体编织复合材料宏观力学性能
• 4.4.1 整体编织复合材料力学性能模型分析（刚度平均法）
• 4.4.2 结果分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 三维编织 C/C复合材料弯曲力学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验部分
• 5.2.1 试样
• 5.2.2 试验条件
• 5.2.3 微观形貌观察
• 5.3 编织参数的影响
• 5.3.1 测试试样
• 5.3.2 测试结果
• 5.3.3 微观形貌观察
• 5.3.4 测试结果分析
• 5.4 纤维束连续性的影响
• 5.4.1 测试试样
• 5.4.2 测试结果
• 5.4.3 微观形貌及结果分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 三维整体编织C/C复合材料弹性性能预测
• 6.1 引言
• 6.2 三维整体编织C/C复合材料弹性性能的计算
• 6.2.1 束间孔隙体积百分数的分配
• 6.3 轴向弹性模量预测值与试验值的对比
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢