三维四向编织复合材料界面损伤机理数值分析

考虑界面脱粘表面压应力下摩擦力对材料界面力学性能的影响,建立损伤-摩擦相结合的界面本构模型,编写用户材料子程序VUMAT,实现其在有限元软件ABAQUS中的嵌入。基于周期性胞元分析思想,在单胞模型中纤维束/基体、纤维束/纤维束分界面引入界面单元,结合损伤-摩擦相结合的界面本构模型,建立含界面相三维四向编织复合材料的细观有限元模型。模拟典型载荷下界面损伤的起始和扩展过程,分析界面应力传递和界面破坏机理,研究界面性能对复合材料宏细观力学性能的影响规律,为实现三维四向编织复合材料界面性能优化设计和控制提供参考。      

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。     

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。     

吸湿后三维编织复合材料剪切性能研究

本文对三维四向编织复合材料和长碳纤维复合材料吸湿后的剪切性能进行了研究。从试验角度得到了吸湿对复合材料的剪切性能的影响规律。并对试件断口进行了扫描电镜观察，从微观角度对复合材料的破坏机制进行了分析。     

三维编织复合材料的疲劳性能

研究了三维编织复合材料的疲劳性能和编织结构对疲劳性能的影响。进行了应力比为011 、实验频率为10 Hz 的拉2拉疲劳性能测试。结果表明, 三维编织复合材料的疲劳强度约为其抗拉强度的60 %～80 % , 比金属材料的疲劳强度的相对值高。编织角是影响三维编织结构复合材料疲劳性能的一个主要因素。随着编织角的增大, 疲劳过程中易出现各种损伤, 而且伴随明显的升温现象。编织角大的试件在疲劳实验过程中模量变化明显, 并且呈现逐渐升高的趋势, 这与金属材料的双模量变化规律不同。在疲劳次数为100 万次后, 试件的剩余强度高于静载拉伸强度, 这主要是由于在疲劳测试过程中, 试件内编织纱线的取向更接近受力方向所致。      

三维四向编织复合材料弹性性能的理论预测

在对三维四步(1×1)编织物结构分析的基础上,进一步完善了基元、面元和角元的三细胞模型,使修正后的模型实现了空间上的几何连续性,较为真实地模拟了编织预制件的纤维走向。然后,基于修正后的三细胞模型并采用刚度平均法预测了三维编织复合材料的弹性性能,通过与现有实验结果的比较,验证了该模型的适用性。      

三维编织复合材料拉伸性能试验研究

制定了一套适用于测定三维编织复合材料拉伸性能的试验方法，并结合试验数据，总结了编织参数与三维编织复合材料拉伸性能的关系。     

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。      

三维编织复合材料紧固件剪切强度预报

建立了三维缎纹编织复合材料代表性体积单元(RVE)和紧固件剪切试件模型,引入周期性边界条件,建立了材料的宏观力学性能预报方法,并采用跨尺度计算方法对不同受载角度下的紧固件剪切破坏过程进行了有限元模拟。进行了三维缎纹编织复合材料紧固件的剪切试验,有限元计算结果与试验结果吻合较好,验证了本方法的可行性。分析了不同受载角度对剪切破坏模式及强度的影响,结果表明,该编织复合材料剪切强度随受载角度增大而降低,且具有不同的损伤起始位置和扩展过程。     

三维编织复合材料面内刚度和强度性能研究

以修正的经典层合板理论为基础, 分析三维编织复合材料的力学性能。在单胞的长度方向积分和平均, 预测编织结构复合材料的有效弹性模量; 采用蔡-胡多项式失效准则, 得到三维编织复合材料的强度性能。另外, 进行编织结构复合材料的力学性能实验, 探讨纺织工艺参数, 如纤维编织角、横向编织角、轴向纱数与编织纱数之比、纤维体积含量等对力学性能的影响, 理论预报和试验结果进行对比, 发现该力学模型能较好地预报三维编织复合材料的刚度和强度性能。      

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。      

三维编织复合材料力学行为研究进展

对三维编织复合材料的细观结构几何模型和力学性能的研究进展进行了综述。重点介绍近几年该领域的研究成果和作者的一些研究工作, 其中包括三维编织复合材料力学性能的实验研究和理论研究。在理论研究方面, 介绍了弹性应变能法、纤维倾斜模型、三细胞模型和有限元模型等工作。最后, 对未来的研究趋势进行了展望。      

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。     

建筑表面风压的三维数值模拟

本文采用数值模拟方法预测由近地三维流动风引起的建筑物的表面风压。文中运用一种扩展的ｋ－ε紊流封闭模型，导得了稳态流动风的统一形式的控制微分方程。采用控制容积法对微分方程作了离散，ＳＩＭＰＬＥＣ压力校正迭代算法实现了非线性离散化方程的求解。实例计算与分析比较表明，本文的模拟方法改善了对建筑物侧风面和顶面风压值的预测     

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。     

二步法方型三维编织复合材料的细观结构

对二步法方型三维编织复合材料的三维五向结构进行了真实的描述与分析。在此基础上划分出边上、角上和内部单元体。通过对复合材料的横截面以及与试件表面成45°的纵切面进行观察,确定出轴纱因受编织纱捆绑挤压产生的形变情况以及轴纱内纤维体积含量。     

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。