基于均匀化理论的三维编织复合材料细观应力数值模拟

从基于小参数渐近展开和摄动方法的均匀化理论出发,给出了求解细观应力的数学表达式。通过有限元方法对三维编织复合材料的细观应力场进行数值模拟,并结合适当的强度准则对拉伸极限强度下单元的失效情况进行判断,得出材料强度的一种细观失效判据。通过该方法得到的应力计算结果与实验结论基本相符。      

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。     

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细观组织及分析模型

以四向编织复合材料为对象, 对所建立的单胞组织模型进行了细观组织的实验验证, 所 得结果与理论分析结果吻合较好。证实了所建模型的正确性, 成为三维多向编织复合材料性能分 析与材料优化设计的基础。      

三维编织复合材料刚度和强度性能研究进展

综述了近年来国内外对三维编织复合材料的刚度和强度性能预测方法的研究进展.三维编织复合材料刚度性能的预测分析方法主要有两大类:解析法和有限元法,而强度特性的预测大多采用有限元方法来进行.最后,本文对有待于进一步研究的问题进行了展望.     

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。      

三维全五向编织复合材料的细观结构分析

针对三维全五向编织复合材料,研究了其四步法编织工艺的实现过程,并详细描述了编织复合材料各控制区域内纱线的空间走向及运动规律,在此基础上建立了能反映三维全五向编织复合材料基本结构的几何单胞模型.通过分析编织物内纱线间的空间挤压关系,设定合理的假设,计算了全五向编织复合材料的纤维体积含量,并分析了纤维体积含量与编织工艺参数之间的关系,为进一步研究该材料的力学性能奠定了基础.     

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。     

三维四向复合材料微观模型的研究现状及展望

三雏四向复合材料是一种新结构形式的复合材料,具有优良的力学性能、抗冲击损伤性能及耐烧蚀性能,受到各国学者的重视.在讨论目前较为成功的"米"字型、"六面体截面"交织型、"双扭线"型等单胞微观模型的基础上,提出了"贝塞尔"单胞模型.该模型较好地模拟了三维四向复合材料纤维的走向与微观结构,为下一步深入研究打下了基础.     

Microstructural Modeling and Second-Order Two-Scale Computation for Mechanical Properties of 3D 4-Directional Braided Composites

This study is concerned with the microstructural modeling and mechanical properties computation of three-dimensional (3D) 4-directional braided composites. Microstructure of the braided composite determines its mechanical properties and a precise geometry modeling of the composite is essential to predict the material properties. On the basis of microscopic observation, a new parameterized microstructural unit cell model is established in this paper. And this model truly simulates the microstructure of the braided composites. Furthermore, the mathematical relationships among the structural parameters, including the braiding angle, fiber volume fraction and braiding bitch, are derived. By using the unit cell model, the second-order two-scale (SOTS) method is applied to predict the mechanical properties of 3D 4-directional braided composites, including stiffness parameters and strength parameters. Besides, the effects of the braiding angle and fiber volume fraction on the elastic constants are investigated in detail. Numerical results show that the predictive stiffness and strength parameters are in good agreement with the available experimental data, which demonstrate that the established unit cell model is applicable and the second-order two-scale method is valid to predict the mechanical properties of 3D 4-directional braided composites.     

三维四步编织复合材料刚度和强度的数值模拟

为了研究三维四步法编织复合材料的力学性能,利用ANSYS有限元软件对材料的细观体胞模型进行数值模拟,计算三维编织复合材料的宏观弹性常数,讨论了纤维编织角和体积比对弹性常数的影响。采用不同的强度准则分别对纤维束和基体材料进行强度校核,从而得到材料发生破坏时失效单元的体积百分比。根据失效单元的分布情况分析材料的破坏机理,进而预报材料的拉伸强度。模拟计算结果与实验值吻合较好。     

三维编织复合材料理论研究进展

有关三维编织复合材料的理论分析研究归纳为:基于细观结构几何模型的物理性能研究和力学性能研究两部分.纤维体积分数是物理性能研究的最主要参数,力学分析以复合材料的弹性性能为主.合理的几何模型决定了力学性能分析与试验结果的一致性.建立在代表性体积单元尺度的几何模型应用最为广泛,得到了力学性能的试验验证.三维编织复合材料的力学性能的数值仿真主要以有限元方法为主,然而仅仅依赖于对其弹性性能的研究结果还远远不能满足三维编织复合材料作为关键结构部件的使用要求,建立完善的断裂准则是编织复合材料大量使用的理论依据.特殊形状的一次性编织复合材料的力学性能研究有待进一步深入.     

Computational Analysis of Torsional Bulking Behavior of 3D 4-Directional Braided Composites Shafts

The torsional bulking behavior of 3D 4-directional braided composites shafts was analyzed in this work. First, the unit cell models of 3D 4-directional braided composites shafts with different braiding angles and fiber volume fraction were built up. Then, the elastic parameters of 3D 4-directional braided composites shafts were predicted using the unit cells under different boundary conditions. Finally, the torsional bulking eigenvalues and bulking modes of the composites shafts were obtained by numerical simulation, and the effects of braiding angle and fiber volume fraction on the torsional bulking behavior of 3D 4-directional braided composites shafts were analyzed. The simulation results show that the bulking eigenvalues increase with the increase of braiding angle and fiber volume fraction. This work will play an important role in the design of 3D 4-directional braided composites shafts.     

三维四向编织复合材料压缩力学性能实验研究

通过对三维四向编织复合材料薄板试件的宏观压缩实验,研究了三维四向编织复合材料的抗压力学性能.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.编织角度较小时,材料表现为脆性特征;当编织角度大于某个临界角度时,材料的应力-应变曲线趋于非线性,更多地表现为塑性破坏.