基于结构参数的平纹机织复合材料等效弹性性能预测

经向纤维束与纬向纤维束纵横交错引起的纤维弯曲(也称为波纹)是平纹机织复合材料固有特征。首先,提出了一种精确描述平纹机织复合材料单胞3D结构特征的数学表达式。其次,基于经典层合板理论和等应力假设,考虑平纹机织复合材料厚度方向非对称引起的弯曲-拉伸耦合效应及单胞结构特征,建立了含结构参数的平纹机织复合材料等效弹性性能多参数解析模型。通过数个典型算例验证了建立的多参数解析模型,结果表明：该多参数解析模型预测值与相关文献中有限元模型预测值、解析模型预测值、实验值等均吻合较好;该多参数解析模型预测值尤其是Z向弹性性能预测值,比文献中解析模型预测值更接近于实验值。在此基础上,进一步探讨了纤维束波纹比(包括纤维束波动方向波纹比与纤维束横截面波纹比)、经向与纬向纤维束构成的预成形体厚度、纤维束中弯曲部分的长度、相邻纤维束之间间距等结构参数对平纹机织复合材料弹性性能影响。该多参数解析模型建模方法为研究纺织复合材料力学性能提供了参考。     

含纤维束截面形状变化的三维编织复合材料细观模型及刚度预报

基于实验观察和理论研究, 重点分析了材料内部区域纤维束的空间构型, 建立了一个新的三维实体细观结构模型, 并指出了编织工艺参数和模型细观结构参数之间的关系。该模型较真实地反映了纤维束之间的相互挤压变形方式, 纤维束横截面积沿纤维束轴向不断变化, 更符合三维四向编织复合材料的实际结构。基于刚度体积平均及柔度体积平均混合思想, 建立了相应的刚度预报模型。用该模型计算编织复合材料几何特性及工程弹性常数的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, 为进一步研究三维编织复合材料的拉伸强度及破坏机制提供了基础。     

二维编织 C/ SiC复合材料的热膨胀系数预测

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面内热膨胀系数的单胞模型。模型充分考虑了编织结构复合材料中的纤维束弯曲和 CVI工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热膨胀系数的影响。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、 孔洞含量对复合材料热膨胀系数的影响规律 , 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 , 热膨胀系数增大 ; 当其它参数不变时 , 随着纤维体积含量的增大 , 热膨胀系数反而下降; 随着孔洞含量的增加 , 热膨胀系数也出现了下降的趋势。利用 DIL402C热膨胀仪测试了二维编织 C/ SiC复合材料纵向热膨胀系数 , 试验结果与模型预测结果吻合较好。     

细编穿刺复合材料有效性能的有限元分析

根据细编穿刺复合材料的结构特点,提出了一个新的有限元模型,该模型较为真实地模拟了织物内纤维束的轮廓结构和走向.利用该模型采用有限元法,对穿刺纤维束间距接近于极限状态下的细编穿刺复合材料进行了有效性能的数值预报,并合理确定了复合材料内部应力场分布.通过理论计算结果与文献中结果的对比分析,验证了该模型的有效性.     

2.5维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2.5维编织复合材料有限元模型,该模型较为真实地模拟了织物内纤维束的轮廓结构和走向,可用于2.5维编织复合材料力学性能的有限元数值分析.利用该模型采用有限元法对2.5维编织复合材料进行了有效弹性性能的数值预报,并合理确定了复合材料内部应力场分布;同时提出经向纤维束横截面宽厚比是影响2.5维编织复合材料有效弹性性能的主要因素,分析了其影响情况.采用VARTM工艺制备了试验件,并对其进行力学性能测试.通过实验值和理论值的对比,结果表明:有限元计算得到的结果与实验值吻合较好,从而验证了该模型的有效性.     

二维二轴1×1编织复合材料细观结构模型及力学性能有限元分析

考虑纤维束相互挤压及横截面形状变化, 采用纤维束截面六边形假设, 建立了二维二轴1×1编织复合材料的参数化单胞结构模型。通过引入周期性位移边界条件, 基于细观有限元方法, 对编织材料的弹性性能进行预测, 讨论了编织角及纤维体积含量对面内弹性常数的影响, 并分析了典型载荷下单胞细观应力场分布。研究表明: 单胞结构模型有效反映了纤维束的空间构型和交织特征, 实现了不同编织工艺参数下模型的快速建立; 基于单胞有限元模型的弹性性能预测结果与试验结果较为吻合; 模型给出了单胞合理的应力场分布, 为二维编织复合材料的结构优化和损伤预测奠定基础。      

超轻质全复合材料桁架结构的制备及弯曲特性

采用手工引导纤维束缠绕加高强纱绑束的成型工艺制备了截面形状为三角形的玻璃纤维/环氧全复合材料桁架。研究了芯模的设计与制造、缠绕与绑束操作、固化与脱模工艺,测试了由该工艺制得的复合材料桁架肋条的直径、纤维体积含量和拉伸强度、模量。以三点弯曲的加载方式测试了所制得的超轻质复合材料桁架的弯曲性能。结果表明,用手工引导纤维束缠绕加高强纱绑束的成型工艺制得的全复合材料桁架肋条的直径平均偏差为5.8%,纤维体积含量为64%,其拉伸强度和模量分别为747.5 MPa 和48.56 GPa,与模压工艺制得的单向复合材料相比分别提高了9%和15%。该超轻质(线密度 ≤1.0 kg/m)复合材料桁架整体抗弯载能力突出(失稳载荷达到2000 N),具有良好的结构刚度。     

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。      

柔性导向三维织造复合材料预制体细观结构分析

针对柔性导向三维织造复合材料预制体的结构表征问题,对预制体的几何结构和纤维束细观形貌进行了研究。基于纤维截面为矩形、纤维处于伸直状态、预制体结构均匀一致、忽略边缘导向套与纤维的缠绕区域等基本假设,建立了预制体几何结构模型,并通过织造实验验证了模型的合理性。通过织造层致密化压实工艺,织造了纤维体积分数分别为44. 1%、50. 0%和52. 5%的预制体,采用树脂转移模塑成型(RTM)技术制备了复合材料试样。将试样研磨抛光后置于显微镜下观测X/Y向纤维束沿Z向和轴向的截面细观形貌变化特征(将纤维与平面内X或Y向纤维之间正交铺设的夹层区域定义为A区域,将X向纤维和Y向纤维正交叠层区域定义为B区域)。结果表明,受不同压实载荷的影响,纤维体积分数高的预制体,A区域的X/Y向纤维束截面形貌更趋于矩形; B区域的X/Y向纤维束,在预制体纤维体积分数达到50%时,呈轻微的反半圆形状,纤维体积分数达到52. 5%时,纤维束截面近似呈矩形; X/Y向纤维束沿轴向截面观测结果显示,在A区域和B区域的纤维束轴向截面形貌分别形成反鼓形和鼓形结构,沿着纤维束轴向交替重复出现,且随着压实载荷的增加,制件纤维体积分数提高,该特征更加明显。通过分析碳纤维预制体细观结构特征,得出宏观压实致密化程度对预制体细观结构的影响规律,为预测复合材料性能提供了参考。     

基于天然纤维和热塑性树脂的包缠纺预型件:第2部分响应曲面方法模型的建立和过程优化

本文基于天然纤维和热塑性树脂,通过包缠纺纱工艺研究了包缠纱纺织预型件及其复合材料的加工性能.研究表明,中空锭捻度和中空锭转速是影响包缠纱预型件的纤维体积分数和性能的两个主要因素.并通过响应曲面方法建立了实验模型,来优化组合中空锭捻度和中空锭转速的参数以得到结构均匀的包缠纱线和预型件.结果表明该包缠纱适合于生产均一的预混料,可用于形成纺织结构预型件及复合材料.并且这些结果表明在许多不需要很高承载能力的应用中,用此方法加工的天然纤维复合材料有可能取代玻璃纤维复合材料.