四步法三维编织预制件的渗透率

采用径向法测量了三维编织预制件的渗透率, 利用修正注入半径的循环方法, 基于Visual C + + 计算了渗透率的大小, 主渗透率方向分两步确定: 一是通过选择阈值的图像处理运算提取流动前沿; 二是采用Matlab中的非线性最小二乘法将所得轮廓进行椭圆拟合, 并计算该椭圆长轴方向与编织方向的夹角。结果表明: 编织参数影响渗透率, 当编织角一定时, 随着纤维体积含量的增加, 主渗透率降低; 当纤维体积含量一定时, 随着编织角的增加, 主渗透率降低, 但主渗透率的方向不随编织角的变化而改变, 始终保持与编织轴向一致。      

三维编织复合材料预制体孔隙的几何仿真

根据四步编织法的纱线运动规律及实验观察,结合纱线截面的挤压变形,提出了用数值元分离连续纱线确定其空间形态的方法.借助VC 及SolidWorks软件的参数化图形建模特点,建立了能模拟各种编织参数预制体孔隙实体,计算孔隙体积及其表面积的软件系统.对编织角为25°和35°,主体纱数为2×4和3×3,纤维体积分数为30%和40%的预制体孔隙进行了模拟和计算.结果表明,在其它参数不变的情况下,随着编织角或纤维体积分数的增大,纱线间孔隙的总体积和表面积减小,单位体积表面积增加;预制体孔隙模拟值与体积理论值的相对误差低于5%.孔隙模拟实体清晰地反映了一个组织循环内孔隙的分布和形状随参数变化而改变的形貌.     

四步法矩形组合截面三维编织物的细观结构

采用控制体积法研究了以四步法编织矩形组合截面三维编织物的特殊细观结构。根据三维编织原理,得到编织物内各区域携纱器的运动规律。从中看出, 除了常规矩形截面三维编织物所具有的内部、棱(外) 角和表面区域外, 矩形交接区域的内部、内角和表面具有特殊的细观结构。分析了矩形组合截面三维编织物所特有的矩形交接区域以及交接内部、交接内角和交接表面的细观结构, 建立了这三个区域的单胞模型。结果表明, 交接区域的内部单胞外形为立方体, 交接区域的内角单胞外形为七棱柱体, 交接区域的表面单胞为五棱柱体。与常规矩形截面的单胞相比, 矩形组合截面在交接区域中, 纱线的空间形态和编织角均存在明显不同。      

基于预制体边界反射方法的三维四向编织复合材料几何建模

针对预制体中纱线路径复杂,几何建模耗时较长的问题,提出了一种预制体边界反射(PBR)方法,有效地缩短了几何建模过程中建立纱线运动模型的计算时间.在此基础上,开发了基于SolidWorks软件的CAD仿真建模系统,可模拟不同编织参数下的三维编织预制体整体结构.与传统建模方法相比,PBR方法可在不影响预制体几何建模精度的前提下,明显缩短仿真时间.因此,可明显提高编织工艺设计的效率.该方法为复杂几何结构预制体的细观结构和机械性能研究奠定了基础.     

四步法三维矩形编织复合材料的细观结构模型

基于现有实验研究和编织工艺中携纱器的运动规律, 重点分析了材料内部区域纤维束的空间构型, 建立了材料的三维实体细观结构模型。该模型不仅体现了内部纱线因打紧工序而形成的紧密接触和截面变形, 而且考虑了内部和表面区域纱线因挤紧状态不同所造成的纱线填充因子变化。基于一种单胞取向平行于材料横截面边界方向的新划分方案, 解决了45°单胞划分方案的不足, 建立了便于力学性能分析的单胞几何模型, 并指出了编织工艺参数和模型宏细观结构参数的关系。模型数值结果与试件实测数据吻合, 表明了该模型的合理有效性,为材料后续力学性能分析奠定了基础。      

三维四向编织复合材料的黏弹性能

基于均匀化理论建立了预测具有微观周期性结构复合材料黏弹性能的力学模型。利用此模型并结合有限元法分别研究了纤维束和三维编织复合材料的黏弹性能。通过对计算结果的分析, 给出了三维编织复合材料黏弹性能随工艺参数变化的规律。结果表明, 三维编织复合材料编织方向的黏弹性效应随编织角的增大而增强, 随纤维体积比的增大而减弱, 此规律与实验结论一致。     

三维编织复合材料悬臂梁的振动特性

基于三维四向和五向编织复合材料的细观结构和单胞模型, 对三维四步法矩形截面编织复合材料悬臂梁的振动阻尼性能进行了理论分析, 研究了编织角、 纤维体积分数等工艺参数对材料振动阻尼特性的影响, 并与实验结果进行了对比。对三细胞模型进行了改进, 采用混合律得到了材料的总体刚度, 进而得到一阶固有频率。此外, 还分别计算了一个周期内不同走向纱线和基体振动消耗的能量, 以及总振动能量, 得到了材料的损耗因子。结果表明, 对于三维四向和五向编织复合材料, 一阶固有频率随编织角的增加而减小, 随纤维体积分数的增加而增大; 而损耗因子随编织角的增加而增大, 随纤维体积分数的增加而减小, 并表现出明显的非线性变化规律。      

Geometric mapping of yarn structures due to shape change in 3-D braided composites

The internal yarn structure in 3-D braided preforms possesses a certain topological character which is unique to the braiding method used. Hence, preforms of different shapes but braided by the same method have topologically similar yarn structures. This unique property offers the possibility that the yarn structure in preform of one shape may be geometrically mapped to that in another shape, and vice versa.

This study discusses a geometric mapping methodology, the objective of which is to obtain the appropriate mapping which analytically links the yarn structures in two preforms of different shapes; if the yarn structure in one preform is known, the yarn structure in the other can be determined by the derived geometric mapping.

Two broad classes of mapping are discussed. The first concerns mapping between two preforms that are braided directly in two different shapes; the second concerns mapping between the initial and final shapes of one single preform which is deformed after braiding. In each case, the mathematical forms of the desired mapping functions are obtained, satisfying the geometric constraints imposed by the internal yarns in the respective preforms. The determined mapping functions are then used to investigate the braidability and/or deformability of the considered preforms. Specifically, limiting windows for the braiding parameters that insure the braidability and/or deformability of the preforms are obtained using the appropriately derived mapping functions.

The 4-step 1 × 1 braiding method is used throughout this paper to illustrate the general mapping procedure; rigorous and explicit geometric relationships are derived leading to mapping functions between preforms of rectangular and curvilinear cross-sections. Numerical examples involving mapping between preforms of rectangular and tubular cross-sections are investigated in detail, along with examination of the preform braidability and/or formability.     

三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

采用考虑纤维束相互挤压的纤维束截面八边形单胞模型, 引入周期性边界条件, 对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟, 并预测了材料的拉伸强度。通过在应变能密度函数中引入损伤状态变量, 建立了含损伤材料的刚度矩阵, 运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤, 通过数值结果与试验结果的对比, 分析了Hashin和Tsai-Wu两种准则作为判定纤维束起始损伤的适用性。分析表明: 基于引入不同失效模式的Tsai-Wu准则的数值模拟和试验结果吻合良好; Hashin准则不适合作为编织纤维束的损伤判据; 不同编织角材料的失效机制不同。      

三维编织碳纤维复合材料电阻率的估算

从影响材料电阻率的主要因素——碳纤维体积分数入手,主要分析了材料的电阻率这一电气特性,根据材料表面测量的数据,估算出材料内部碳纤维的体积分数。再根据多个试件测量的数据,拟合出材料的碳纤维体积分数和电阻率的关系曲线。根据估算出的碳纤维体积分数,估算出材料的电阻率。利用三维编织碳纤维复合材料的编织角和花节长度,估算出材料的电阻率。根据材料的电阻率这一电气特性,便于以后对材料进行涡流无损检测分析。      

三维织造预制体微观结构及致密化

碳纤维预制体是碳/碳材料的骨架,致密化过程中,基体碳填充预制体孔隙形成碳/碳复合材料。为探索碳纤维预制体微观结构与致密化的关系,以3种三维织造预制体为研究对象,通过金相显微镜观察预制体微观结构,建立预制体理论结构数字化模型,计算对比孔隙率情况后获得预制体中不同类型孔隙的体积含量,研究孔隙结构对化学气相沉积致密化效率的影响。研究结果表明:三维织造预制体中孔隙呈周期性重复排列,XY向纤维层间距、Z向纤维间距越小,预制体中纤维体积含量越高;预制体中孔隙主要由纤维束内孔隙和X,Y,Z向纤维束包围的束间孔隙构成;预制体中的孔隙大小和分布影响致密化效率,孔隙率高的预制体在致密化前期增密速率快,孔隙结构均匀的预制体在致密化后期增密速率快。     

三维编织复合材料损伤容限性能试验

为研究三维编织复合材料的损伤容限性能,首先,利用同种纤维、基体和工艺分别制作了4种三维编织复合材料和1种层合复合材料;然后,进行了相同复合材料在不同冲击能量下的及不同复合材料在相同冲击能量下的低速冲击试验和冲击后压缩试验;最后,进行了冲击后的C扫描损伤检测,并对比了冲击后凹坑深度、损伤面积和损伤宽度。结果显示:层合复合材料的损伤形貌主要呈椭圆状,且分层损伤严重,而三维编织复合材料的损伤形貌主要呈十字状,三维编织复合材料的整体性较好;层合复合材料和三维编织复合材料冲击能量的拐点均出现在30 J附近;三维编织复合材料的剩余压缩强度较高,其损伤容限性能优于层合复合材料。所得结论可为三维编织复合材料的工程应用提供指导。      

二维编织C/SiC陶瓷基复合材料的热传导系数预测

根据二维编织C/SiC复合材料的细观结构及其制备工艺特点,提出了一种预测该材料热传导系数的单胞模型。模型简化了编织结构纱线的实际构型,充分考虑了编织结构复合材料由于化学气相渗透(CVI)工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热传导系数的影响。利用单胞模型预测了二维编织C/SiC的结构参数、纤维体积含量、孔洞体积含量对复合材料热传导系数的影响规律。结果表明: 随着纤维束扭结处产生间隙与纱线宽度比值的增大,热传导系数减小;当其它参数不变时,热传导系数随着纤维体积含量和孔洞体积含量的增加而下降。利用Hot Disk热测量仪采用瞬变平面热源法测试了二维编织C/SiC复合材料面内的热传导系数,试验结果与模型预测结果吻合较好。     

三维五向编织复合材料渐进损伤分析的数值方法

基于连续损伤理论, 推导了含损伤裂纹的正交各向异性材料的应力-应变关系。建立了考虑界面脱粘破坏的三维五向编织复合材料细观体胞模型, 并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程。采用Hashin准则和von-Mises准则分别判断纱线与基体的初始损伤, 结合Eshelby-Mori-Tanaka方法确定材料的刚度退化系数。利用ANSYS有限元软件对材料进行渐进损伤分析, 得到了材料在单向拉伸作用下的应力-应变曲线和极限强度。计算结果表明, 轴纱为材料的主要承力部分, 小编织角材料的破坏模式主要为纱线的拉伸断裂, 界面破坏情况较为严重。模拟计算结果与实验结果吻合较好。     

Mechanical analysis of 3D braided composites: a finite element model

The analysis of 3D braided composites is more difficult due to its complex microstructure. A new type of finite element method is developed to predict the effective moduli and the local stress within 3D braided composites under the 3D mechanical loading. To verify the present method, the material properties of undamaged 3D braided composites predicted in this paper are compared with the previous work. To demonstrate this method, some examples are analyzed.     

基于区域叠合技术的三维编织复合材料渐进损伤过程数值模拟

基于区域叠合技术（DST）对编织复合材料渐进损伤过程进行了分析,利用ANSYS参数化设计语言建立了参数化的编织件模型,应用单元切割法在单元边与切割面交点处增加新的节点,将新增节点与该单元部分其他节点重构单元,实现从编织件模型中切割出增强相单胞模型。分别利用Hashin准则与Von Mises准则判断增强相损伤和基体损伤,根据相应损伤模式按修正的Blackketter刚度退化方案对材料刚度进行退化,应用适用于损伤分析的刚度匹配方法,实现区域叠合技术在编织复合材料渐进损伤分析中的应用。提出损伤结果映射方法,实现了基于区域叠合技术所建基体模型的渐进损伤过程的结果显示。数值分析结果发现,区域叠合法分析结果与传统方法分析结果一致,且强度和断裂应变预测结果与试验结果相吻合。     

三维编织复合材料热物理性能实验

针对不同编织工艺参数的三维四向编织复合材料,进行了热环境下的热物理性能实验研究,获得了热环境下三维四向编织复合材料的热物理性能变化规律及其分布特征,分析了环境温度和编织角对材料的热膨胀系数(CTE)、热传导系数(CTC)、比热(SH)以及热扩散率(TD)的影响,得到了一些重要结论。这些结果为三维编织复合材料的热物理性能数值分析以及进一步研究材料的热力耦合行为奠定了实验基础。     

二维二轴编织复合材料几何模型及弹性性能预测

提出了二维二轴1×1和2×2编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的相互挤压及横截面的变化。基于细观分析和体积平均法,建立了预测二维二轴编织复合材料弹性性能的理论分析方法。数值结果与试验结果吻合,表明该方法行之有效,且具有运算快、精度高、适合工程分析等优点。分析了编织角、纤维体积含量和纤维束横截面形状对材料弹性常数的影响。研究表明,编织角对弹性常数的影响具有互补性,材料弹性模量与纤维体积含量成正比,纤维束截面形状变化对材料弹性常数影响不大。     

含孔和切口C/C编织复合材料静态拉伸下的力学性能

通过对中心开孔、双边半圆切口和双边V型切口三种结构的静态拉伸测试及有限元模拟分析,比较了不同开孔/切口形式C/C编织复合材料的破坏行为.结果表明:三种开孔/切口形式的C/C试件在拉伸破坏中均表现为较强线性的应力-应变关系,且开孔/切口附近有明显的应力集中;板宽不变时,缺口强度对开孔/切口尺寸不敏感,而对其端部的曲率半径较敏感;孔端部材料不满足线弹性的破坏机制,发生了大规模的应力松弛,其尺寸随开孔/切口曲率半径的增大而增大,而对开孔/切口位置不敏感.     

三维四向编织复合材料有效性能的预报

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征, 建立了比较合理的三胞模型。模型中考虑了3种单胞各自纤维束的空间结构和弯曲, 同时引入纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响。基于刚度体平均方法, 建立了相应的刚度预报模型, 得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数。用细观力学方法分析了工艺参数和尺寸效应对材料有效性能的影响规律。不同尺寸试件的数值预报结果和实验结果吻合较好。