变截面环形三维机织复合材料细观结构与力学性能研究

论文摘要

变截面环形三维机织复合材料是一种在三维机织复合材料基础上发展起来的新型复合材料,采用传统的机织工艺与设备加以拓展而制得的,具有较强的可设计性和仿形能力。变截面环形复合材料采用逐渐增加经纱的织造方式使其具有较好的结构完整性和整体性能稳定性。本文对变截面环形复合材料的典型结构件之一三维机织圆台复合材料的力学性能从理论模型、数值模拟和实验三个方面进行了较为全面的研究,得到了一些有益的结论。根据变截面环形复合材料的加纱方法,采用椭圆形截面假设建立了一种新的三维机织圆台细观结构几何模型,详细研究了由于截面改变和加纱而引起的经纱沿环向的倾斜问题,并在此基础上确定三维机织圆台复合材料纱线变化区域的细观结构和单元体模型。采用体积平均化法分别对加纱区和非加纱区单元体的弹性常数进行了预测。运用ABAQUS软件对三维机织圆台复合材料从局部到整体进行了力学性能的分析。采用有限元法分别对三维机织圆台加纱区和非加纱区的弹性常数进行了预测,同时通过用户材料子程序实现了单元体的刚度折减,并且模拟了在压缩载荷下的损伤演变。建立了三维机织圆台整体有限元模型,进行了压缩载荷下的应力和变形分析。采用RTM设备研究了三维机织圆台成型工艺,运用PAM-RTM软件对其注射过程中的树脂流动进行了模拟,验证了RTM成型模具设计的合理性和成型工艺的可行性。进行了三维机织圆台的轴向压缩实验,通过实验值和理论预测值的对比,证明了力学模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 变截面环形三维机织复合材料研究概述
• 1.2.1 织造方法研究
• 1.2.2 几何结构研究
• 1.2.3 力学性能研究
• 1.2.4 损伤及失效预测方法研究
• 1.2.5 实验研究
• 1.3 现有工作中存在的问题
• 1.4 本文的研究内容和章节安排
• 第二章 变截面三维机织环形复合材料的细观几何结构
• 2.1 引言
• 2.2 三维机织圆台预成型结构分析
• 2.2.1 直交机织预成型
• 2.2.2 弯交机织预成型
• 2.3 细观几何结构
• 2.3.1 细观几何结构参数的确定
• 2.3.2 三维机织圆台经纱倾斜角的确定
• 2.4 三维机织圆台纤维体积含量的确定
• 2.5 本章小结
• 第三章 变截面三维机织环形复合材料刚度分析
• 3.1 引言
• 3.2 分析流程
• 3.3 单向纤维束复合材料弹性常数
• 3.4 各组分纱线向主方向转化的转换矩阵
• 3.5 总体刚度矩阵的集成
• 3.6 三维机织圆台复合材料弹性常数分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 三维机织圆台复合材料有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 有限单元法
• 4.2.1 有限单元法概述
• 4.2.2 ABAQUS 软件介绍
• 4.3 强度理论公式
• 4.4 组分材料的强度准则与刚度折减
• 4.5 实体建模与网格离散
• 4.5.1 三维机织圆台局部建模与网格离散
• 4.5.2 三维机织圆台整体建模与网格离散
• 4.6 确定边界条件
• 4.7 三维机织圆台局部单元体有限元分析结果与讨论
• 4.7.1 加纱区单元体轴向压缩结果与讨论
• 4.7.2 非加纱区轴向压缩结果与讨论
• 4.8 三维机织圆台整体压缩有限元分析
• 4.9 本章小结
• 第五章 变截面三维机织环形复合材料力学性能实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 三维机织圆台预制件复合成型
• 5.2.1 圆台预制件原材料
• 5.2.2 三维机织圆台复合材料成型工艺
• 5.2.3 软件模拟RTM 成型注胶过程
• 5.3 实验设备与环境
• 5.4 实验方法和步骤
• 5.5 实验内容与结果分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文