三维均匀化方法预测编织复合材料等效弹性模量

本文将基于小参数渐近展开和摄动方法的均匀化理论与有限元方法结合起来应用于三维编织复合材料弹性本构的数值模拟。通过对三维编织结构等效模量的数值计算 ,结果表明本文的方法可得到较为准确的等效模量 ,并较其它解法大大降低了计算量。     

三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析

在已有研究的基础上,提出了一个新的三维编织复合材料单元胞体模型,该模型正确地反映了纤维束的交织方式,十分接近三维编织复合材料的真实结构,可用于三维四向编织复合材料有效模量的有限元数值预报,并合理确定复合材料内部全场应力分布。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,为进一步的强度计算奠定了基础。      

编织复合材料的一种数值模型

提出编织复合材料的一种均匀化的数值模型,为工程应用提供了简便而有较高精度的数值计算方法。首先,对于编织复合材料的代表性单胞建立了精细有限元的胞元模型;其次,将单胞有限元分析结果引入基于三类变量广义变分原理的三维体罚单元,从而将一类有细观编织结构的复合材料等效为可用于宏观尺度计算的复合材料单元。通过数值算例将此方法的计算结果与实验和其他数值计算结果进行了比较,验证了该方法的有效性与实用性。     

树脂基三维编织复合材料粘弹性能的数值预报

建立了基于三细胞模型数值预报三维编织复合材料粘弹性能的方法。首先构造了三维编织复合材料的三细胞模型并施加周期性边界条件,随后利用标准线性固体模型模拟树脂基体的粘弹性能,导出基体的松弛模量,再通过有限元计算及Prony级数拟合,得到三种胞元的粘弹性参数。然后根据三种胞元的体积分数和粘弹性参数,利用三个标准线性固体模型并联,模拟得到三维编织复合材料沿编织方向的粘弹性参数和蠕变本构关系。最后,分析了编织角和纤维体积含量对粘弹性能的影响。     

考虑孔隙和微裂纹缺陷的C/C-SiC编织复合材料等效模量计算

通过观察C/C-SiC复合材料组元分布的扫描电子显微镜(SEM)照片 , 获得了C/C-SiC复合材料化学气相渗透(CVI)制备过程中产生孔隙和微裂纹的几何信息。在此基础上 , 建立了包含孔隙和微裂纹的C/C-SiC微结构有限元模型 , 并利用均匀化等效计算方法预测了平纹编织C/C-SiC复合材料的模量。针对CVI沉积方式制备的2组不同的C/C-SiC复合材料 , 实验测试与等效计算结果表明 : 基于 SEM照片建立的C/C-SiC纤维束和复合材料微结构有限元模型 , 能够反映CVI工艺制备C/C-SiC中孔隙和微裂纹的分布状况; 计算结果与实验数据有良好的一致性 , 数值计算可有效预测C/C-SiC编织复合材料的模量。      

单一纤维多向缠绕薄壁圆筒的三维等效弹性模量计算

本文给出了一种基于层压板理论用来计算单一纤维多向缠绕薄壁圆筒三维等效弹性模量的方法,用此方法计算了玻璃纤维多向缠绕筒的三维等效弹性模量。有限元数值模拟和拉伸试验结果表明,通过本文计算方法得到的三维等效弹性模量是有效的,应用此方法可将复杂的纤维多向缠绕结构等效为具有各向异性性质的均质单一材料,大大降低应力分析的工作量。     

考虑孔隙和微裂纹缺陷的 C/ C2SiC编织复合材料等效模量计算

通过观察 C/ C2SiC复合材料组元分布的扫描电子显微镜(SEM)照片 , 获得了 C/ C2SiC复合材料化学气相渗透(CVI)制备过程中产生孔隙和微裂纹的几何信息。在此基础上 , 建立了包含孔隙和微裂纹的 C/ C2SiC微结构有限元模型 , 并利用均匀化等效计算方法预测了平纹编织 C/ C2 SiC复合材料的模量。针对 CVI沉积方式制备的 2组不同的 C/ C2SiC复合材料 , 实验测试与等效计算结果表明 : 基于 SEM照片建立的 C/ C2SiC纤维束和复合材料微结构有限元模型 , 能够反映 CVI工艺制备 C/ C2SiC中孔隙和微裂纹的分布状况; 计算结果与实验数据有良好的一致性 , 数值计算可有效预测 C/ C2SiC编织复合材料的模量。     

复合材料圆管构件的等效模型研究

本文针对任意壁厚的复合材料圆管构件的等效弹性模量和剪切模量提出了高阶理论计算方法，它考虑了构件的横向剪切效应以及层合材料的三维本相关系，并且对三种缠绕方式的等效模量进行了预测，预测结果与经典层合报理论和实验的预测结果吻合较好，该方法可用于复合材料杆件结构的设计中。     

碳纤维三维编织复合材料的结构对拉伸和弯曲性能的影响

研究了碳纤维四步法三维四向、三维五向编织结构复合材料的拉伸和弯曲性能,以及结构参数-编织角的变化对其拉伸和弯曲性能的影响,并与层合复合材料作了对比性研究.结果表明,三维编织复合材料具有良好的力学性能,其拉伸强度可达810MPa、拉伸模量可达95.6GPa,弯曲强度可达829.03MPa、弯曲模量可达67.5GPa.同时,编织角和编织结构对复合材料性能有较大的影响.随着编织角的增大,复合材料的拉伸、弯曲强度和模量均减小;三维五向结构的拉伸、弯曲强度和模量均高于四向结构;在纤维体积含量相近的情况下,通过对编织角的设计,可以设计三维编织复合材料的性能.     

基于均匀化理论的三维编织复合材料弯曲细观应力数值模拟

从基于小参数渐近展开的多尺度均匀化理论出发,对三维编织复合材料的弯曲细观应力进行数值模拟。首先给出了等效弹性模量和细观应力的均匀化列式及有限元求解方程,然后讨论了三维编织复合材料细观单胞周期性边界条件的施加方法,最后对三点弯曲作用下三种单胞内应力分布进行了数值模拟。通过模拟比较了不同类型单胞及不同编织角材料弯曲应力的差异,总结出一些有益的结论,这些结论与实验结论都比较吻合。     

立体多向编织结构对复合材料性能的影响

本文采用1×1,1×2和1×3三种不同的编织结构对轴向增强和非增强三维多向编织复合材料的性能进行了研究。对编织复合材料的拉伸强度、刚度和弯曲强度、刚度进行了实验分析。结果表明;三维编织复合材料具有良好的性能。编织结构对复合材料性能有较大的影响。纤维表面编织角和纤维体积比是影响复合材料性能的重要结构参数。通过轴向加入非编织增强纤维,使编织复合材料的拉伸强度和模量,弯曲强度和模量有了较大改善。      

二步法三维编织复合材料弹性性能的有限元法预报

用有限元法预测了二步法三维编织复合材料的有效弹性性能。在二步法方型三维编织复合材料细观结构大单胞模型的基础上, 考虑复合材料中纤维束的连续性及其空间的交织效应, 用离散杆单元构成的桁架结构有限元模型等效代替复合材料承受单轴拉伸载荷时的受力响应。同时, 以轴向拉伸性能测试试样为对象, 应用有限元软件包MARC 的结构静力分析部分计算了轴向弹性模量和泊松比, 数值计算结果与实验结果一致性较好。参数分析结果表明, 轴向弹性模量随轴纱与编织纱线密度之比和节距长度的增加呈增加趋势。     

立体多向编织结构对复合材料性能的影响

本文采用1×1,1×2和1×3三种不同的编织结构对轴向增强和非增强三维多向编织复合材料的性能进行了研究。对编织复合材料的拉伸强度、刚度和弯曲强度、刚度进行了实验分析。结果表明;三维编织复合材料具有良好的性能。编织结构对复合材料性能有较大的影响。纤维表面编织角和纤维体积比是影响复合材料性能的重要结构参数。通过轴向加入非编织增强纤维,使编织复合材料的拉伸强度和模量,弯曲强度和模量有了较大改善。     

复合材料双波纹面外褶皱缺陷细观力学分析方法

复合材料由于其高比模量、高比强度和疲劳寿命长等突出的优点被广泛应用于航空航天领域,但在制备过程中易产生褶皱缺陷,并对复合材料层合板的刚度、强度产生负面影响。本文主要研究含有单波纹和双波纹外部褶皱的复合材料力学性能。提出一种解析方法计算单波纹和双波纹褶皱细观力学模型的等效材料属性,通过与数值模型结果的对比与分析,发现含褶皱层合板的等效模量随波纹比绝对值的增大而减小。当波纹比绝对值相同时,含凹陷褶皱的层合板等效模量比含凸起褶皱的层合板等效模量低。不同厚度的含有褶皱的层合板等效模量曲线存在交汇点,交汇点两侧等效模量随厚度变化的趋势相反,且双波纹褶皱与单波纹褶皱的交汇点不同。     

三维四向大编织角复合材料的细观强度分析

编织角是影响三维编织复合材料力学性能的最重要因素.实验数据表明:大编织角复合材料在单向拉伸作用下的破坏形式较为复杂,其应力-应变曲线呈现非线性特性.本文建立了细观应力场的均匀化列式和有限元求解方法,运用该方法对三维大编织角复合材料的细观应力分布进行了数值模拟,结合相关的强度理论对材料进行失效分析,并进一步对材料的拉伸强度进行预测.强度计算结果与实验结果较为吻合.     

基于复合材料层合箱梁改进解析模型计算等效刚度

提出了基于复合材料层合箱梁改进解析模型的等效刚度计算方法。在考虑三维应变效应的同时用复合材料单层的二维折算模量分量来表示三维折算模量分量,简化了复合材料层合箱梁等效刚度系数的计算,得到了由梁横截面几何尺寸和层合板刚度系数表达的等效抗弯刚度和等效抗扭刚度的解析式。该解析式适用于环向刚度一致的复合材料层合箱梁,并充分考虑了弯曲-剪切耦合和扭转-拉伸耦合效应对等效刚度的影响。通过三点弯试验和扭转试验,验证了解析式的正确性;通过与分层等效叠加法、有限元法进行对比,分析了解析式的计算精度。结合经典层合板理论,研究了铺层方式对等效刚度产生的影响及原因,预测了不同铺层复合材料层合箱梁等效刚度的变化规律。      

复合材料粘弹性本构关系与热应力松弛规律研究Ⅱ:数值分析

给出了预测复合材料粘弹性松弛模量、等效热应力松弛系数和等效时变热膨胀系数的均匀化方法的有限元数值实现步骤, 研究了单向纤维复合材料随温度变化的粘弹性本构关系, 以及热应力松弛规律和热膨胀系数的时变特征。单向纤维复合材料的一维热变形分析数据显示了热应变对时间的强烈依赖关系;以数值形式给出的等效热应力松弛模量对时间的依赖关系表明, 等效的热应力松弛模量对时间的依赖性较弱, 其冲击模量和渐近模量只相差0.4 %。     

热氧老化对碳纤维织物增强聚合物基复合材料弯曲性能的影响

为了探索增强体结构对碳纤维增强聚合物基复合材料(CF-PMCs)热氧老化后弯曲性能的影响,对三维四向编织碳纤维/环氧复合材料(简称为三维编织复合材料)和层合平纹碳布/环氧复合材料(简称为层合复合材料)的热氧老化性能进行了研究。利用FTIR、老化失重、弯曲测试和SEM等手段分析了热氧老化前后的试样。结果表明:热氧老化导致基体树脂的氧化断链以及纤维/基体界面结合力的退化是两种复合材料弯曲强度和弯曲模量下降的原因,弯曲强度比弯曲模量更容易受热氧老化的影响。在相同的热氧老化条件下,层合复合材料的热氧老化失重大于三维编织复合材料的,而三维编织复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率均大于层合复合材料的。在140℃下老化1 200h后,层合复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率分别为74.7%和88.3%,而对应的三维编织复合材料的分别为79.4%和91.5%。因此,采用三维编织预制件作为CF-PMCs的增强体是一种有效的提高其热氧稳定性的方法。     

考虑纤维束间粘接层的三维四向编织复合材料弹性性能数值预测

考虑了相邻纤维束之间的界面粘接效应, 建立了考虑纤维束间粘接层的三维四向编织复合材料单胞有限元模型, 较为真实地模拟了该材料的细观结构, 讨论了相应的边界条件和约束条件, 并采用有限元方法计算了该材料的等效弹性性能参数, 计算结果与实验值符合较好。研究了等效弹性性能参数随不同编织角及体积分数的变化关系, 得到了体胞的细观应力场, 为强度分析提供数据。      

一种通用的计算复合材料刚度的有限元方法

根据复合材料宏观有效模量的定义,本文通过在复合材料细观模型的边界施加六组特定形式的均匀边界条件,以三维有限元作为数值分析手段,对各种细观模型及增强相力学特性,可一次性全部解出复合材料的所有弹性系数。通过计算典型代表体元细观模型,验证了本文数值方法的准确性和优越性。