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.     

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。      

板状三维四向编织复合材料压缩细观破坏机理的实验研究

通过对三维四向编织复合材料薄板试件的宏观压缩破坏实验及其声发射信号的分析, 研究了该材料的抗压力学性能及其失效机理。实验结果表明: 材料的编织角对其压缩力学性能的影响很大, 随编织角的变化, 编织复合材料的压缩破坏机制发生了变化, 编织角小时, 材料表现为脆性特征; 当编织角大于某个临界角时, 材料的应力-应变曲线趋于非线性, 更多地表现为屈曲破坏。试验过程中采集到的声发射信号能有效地监测材料内部损伤演化过程。      

三维七向编织结构细观分析

根据三维编织的主要工艺, 系统地分析了三维七向编织物纱线的面内和空间运动规律。在此基础上,建立了能反映其基本结构的几何单胞模型, 并推导了编织参数之间的数学关系, 为进一步分析三维七向编织复合材料的力学性能奠定了基础。      

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。      

三维编织复合材料制件的细观单胞元分析

讨论了实现三维编织复合材料细观结构与宏观响应直接相关连的计算方法——细观单胞元法。该方法采用细观结构单胞作为离散单元对三维编织复合材料制件进行宏观网格剖分,在细观结构分析的基础上,将微结构上的物理量转换为细观单胞元的宏观节点变量,建立了细观单胞元刚度矩阵的求解方法。数值结果表明,该方法能反映细观结构参数的变化对材料宏观物理量的影响。     

三维四向编织复合材料改进模型的细观分析

三维编织复合材料现有的成型方法将导致编织物单胞模型发生变化,据此提出了一种改进的具有矩形截面的单元内胞模型,假设编织纱线具有平行六边形横截面,分析了不同区域胞体内部纤维束的空间构型,建立了三维四向编织复合材料内部单胞三维实体模型。通过分析编织物内纱线间的空间接触关系,采取合理的假设,推导了编织工艺参数和模型结构参数的关系,并计算了三维四向编织复合材料的纤维体积含量,为该种材料后续力学性能分析奠定了基础。该模型适用于部分不规则成型工艺,并有可能应用于其他形式的编织工艺研究。     

三维四向编织碳/环氧复合材料实验研究

讨论了三维四向编织碳/环氧复合材料力学性能研究的实验方法。通过实验得到了弹性常数及反映材料非线性行为的力学性能指标随编织角的变化规律, 并分析讨论了编织参数对该类材料破坏模式的影响作用。      

三维管状编织复合材料及其构件可变微单元几何分析模型

针对工程实际中的管状和空间三维编织复合材料构件中力学性能存在梯度的情况,提出一种性能可以变化的六面体微单元几何模型来描述三维编织复合材料及其构件的几何特性。这种微单元的结构根据三维编织立体几何结构的不同而不同。找出微单元几何形状的变化规律和编织纱线在单元中的位置及体积百分数的变化趋势,为确定这些因素与微单元局部力学性能的关系提供了一种切实可行的分析模型。以轴线为直线的管状三维编织复合材料为例,建立了可变微单元几何模型,详细分析了各个参数之间的变化关系。这里等轴向编织花节矩形断面复合材料分析成为可变微单元分析方法的一种特殊情况,同时这种模型还可用于描述空间复杂形状多维编织复合材料的几何特性描述,有助于这类材料及构件的力学分析。      

三维多向编织复合材料非线性本构行为的细观数值模拟

针对三维多向编织复合材料, 在已建立的单胞几何模型及材料力学性能细观计算力学分析方法的基础上,引入M urakam i 的几何损伤理论模拟纤维束的细观损伤行为, 建立了预报该类材料非线性本构行为数值模拟及细观损伤机理的有限元分析方法。结合实例预报了碳/环氧四向编织复合材料本构的非线性行为, 并与实验结果进行了对比。      

三维四向编织复合材料体胞模型的修正

基于弹性理论建立了三维四向编织复合材料的交叉模型。这种模型简单,易于计算,易于程序化,但弹性常数计算结果有一定误差。本文作者总结了影响三维编织复合材料弹性常数的因素,并首次对三维编织复合材料的交叉模型进行了两次修正。每次修正的原因与结果不同。首先对传统的单向复合材料的体胞模型进行修正;基于此,又考虑了编织体结构的纤维束的曲线弧度的影响,并应用正弦曲线模拟了纤维束的曲线弧度,对模型进行第二次修正。由修正后的交叉模型应用MATLAB计算了三维编织复合材料的弹性模量和拉伸载荷下纤维束截面的应力情况。由两次修正的交叉模型计算的弹性常数与试验结果符合较好。由应力大小分析了三维编织复合材料破坏的应力解释。      

三维四向编织复合材料的几何建模及刚度预报

提出了四步法三维四向矩形编织复合材料的单胞几何模型, 该模型考虑了空间纤维束的相互扭结和挤压而造成的纤维束弯曲和截面形状变化。基于刚度体积平均思想, 采用微元段直纤维的单向层板刚度分析方法建立了相应的刚度预报模型, 得到了材料的工程弹性常数, 数值结果表明了该模型的有效性;分析了工艺参数和纤维束横截面形状对弹性常数的影响规律, 得到了一些有益结论。     

颗粒复合材料断裂的梁网格模型

通过发展一种三段式单元,改进了颗粒复合材料的梁网格断裂模型。根据单元内各段交接处的平衡条件推导了单元刚度矩阵。与已有的模型相比,改进的模型能够更加真实的反映颗粒和基体之间的界面区域,并且能够容纳小于网格尺寸的颗粒。计算结果表明利用改进的模型能够得到合理的力-位移关系和断裂模式。     

复合材料三维整体编织结构技术与特性

复合材料三维整体编织技术是国外八十年代发展起来的高新纺织技术。采用这种技术,创造了一类新的复合材料结构型式,显著改善了多方面的力学特性。已有的应用表明.这种高新技术与结构型式,可广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、武器装备、体育用品等诸多领域。本文综述了复合材料三维整体编织工艺的特点,三维编织结构物,以及某些优异的特性。     

编织复合材料弹性性能的细观分析及试验研究

基于细观分析与体积平均法建立了二维编织/RTM复合材料刚度的理论分析方法,该分析方法针对工程应用,具有计算量较小、计算精度高等优点,完成了相应的软件分析工具,并在此基础上对编织复合材料的弹性性能进行分析研究,得到了结构参数对编织复合材料整体力学性能的影响。通过与实验数据的对比表明,分析结果精度高,能够满足工程结构设计和理论分析的需要,为二维编织复合材料的设计、分析和减少试验件提供了理论分析方法。      

复合材料三维整体编织结构技术与特性

复合材料三维整体编织技术是国外八十年代发展起来的高新纺织技术。采用这种技术,创造了一类新的复合材料结构型式,显著改善了多方面的力学特性。已有的应用表明.这种高新技术与结构型式,可广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、武器装备、体育用品等诸多领域。本文综述了复合材料三维整体编织工艺的特点,三维编织结构物,以及某些优异的特性。      

纤维复合材料的损伤韧度设计

文中以裂纹连续扩展的断裂力学方法, 研究单向纤维复合材料的细观损伤演化与韧度计算。用基于有限元的数值方法模拟复合材料的多模式破坏过程, 并计算复合材料在裂纹不同扩展路径下的有效韧度。研究表明界面的两个重要断裂参数(界面断裂能和混合度) 是控制复合材料破坏模式与增韧机理的关键参数。提出了复合材料韧度设计的基本原理。      

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。      

三维编织复合材料压缩力学性能的实验研究

通过宏观压缩实验,研究了三维四向编织复合材料的抗压力学性能;同时,为了认识其压缩失效机理,对压缩试件的破坏断口进行了扫描电镜分析。实验结果表明:纵向压缩模量比横向压缩模量大得多;影响纵向压缩力学性能的主要参数是材料的编织角,随编织角的变化,复合材料的纵向压缩破坏机理发生了变化,编织角较小时,材料表现为脆性特征;当编织角大于某个角度,材料的应力-应变曲线趋于非线性,延性增加,更多地表现为塑性破坏特征。此外,横向压缩的破坏机理与纵向压缩明显不同。