三维六向编织复合材料力学性能的实验研究

通过拉伸 ( 含开孔拉伸 ) 、压缩 ( 含开孔压缩 ) 、面内剪切及冲击后压缩实验,获得了三维六向编织复合材料的主要力学性能参数。基于宏观实验,探讨了材料在拉伸、压缩及剪切载荷作用下的破坏模式和失效机理,分析了开孔类型 ( 机械孔、编织孔 ) 对材料拉、压性能的影响并研究了冲击对材料压缩性能的影响。所获结果为进一步研究三维六向编织复合材料的刚度、强度预报奠定了基础。     

三维六向编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

基于三维六向编织复合材料的细观结构,假设第六向纱线的截面形状为菱形,建立了三维六向编织复合材料的渐进损伤有限元模型。采用Linde等提出的失效准则,引入周期性位移边界条件,对三维六向编织复合材料的纵向拉伸应力-应变行为进行了渐进损伤数值模拟,讨论了单胞模型在纵向拉伸载荷作用下的细观损伤起始、扩展和最终失效的演化过程,并预测了材料的拉伸强度。在此基础上,进一步研究了编织角、纤维体积分数和编织纱水平取向角等参数对材料纵向拉伸力学性能的影响规律。研究结果表明,三维六向编织复合材料的轴向纱线拉伸断裂是导致其破坏的最主要因素。所得数值结果与现有试验值吻合较好,验证了该模型的有效性,为更深入研究此类材料的力学性能奠定了基础。     

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。      

三维编织复合材料的微结构与力学性能研究进展

综述了国内外近年来对三维编织复合材料细观结构力学模型和力学性能的研究进展.细观结构力学模型研究主要是通过分析三维编织体的拓扑结构建立力学分析模型,主要有"米"字枝状模型、纤维倾斜模型和三细胞模型.对力学性能的研究包括刚度性能和强度性能研究,刚度性能的预测分析方法有解析法、基于均匀化理论的方法和有限元数值仿真;而强度性能的预测大多采用有限元方法来进行.最后,总结了目前研究中存在的问题并对以后的工作进行了展望.     

三维编织复合材料弹性性能数值预测及细观应力分析

基于考虑纤维束面接触的细观结构模型, 引入周期性位移边界条件, 采用细观有限元方法建立了材料的弹性性能预报模型。模型数值结果与试件实测数据吻合较好, 证明了该模型的合理有效性。经详细分析单胞在典型工况载荷作用下的细观应力分布及变形, 表明模型体现了周期性相邻单胞表面力和位移的连续性, 能获得单胞更为合理的细观应力应变场。      

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.     

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。     

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。     

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。      

一种改进的三维四向编织复合材料单胞模型及宏观弹性常数预测方法

提出了一种考虑打紧工艺导致纤维束截面形状沿其轨迹方向连续变化的三维四向编织复合材料改进单胞模型,并用于宏观弹性常数预测方法。首先,基于编织工艺过程分析,确定了单胞内部的纤维束布局形式;然后,从几何上推导了纤维束受挤压部位的位置坐标,并假设纤维束在受挤压前截面为圆形,受挤压部位发生圆形到椭圆的过渡变化,导致纤维轨迹产生弯曲,建立了纤维束截面为圆形和椭圆连续变化的改进单胞模型。通过该模型推导单胞编织参数和几何尺寸的数学关系,由此得出的几何特征数据与试件实测数据较为吻合,花节长度的预测值相对误差小于4%,相比于不考虑纤维束挤压变形的单胞模型更接近实际情况。最后,基于该改进的单胞模型,预测了三维四向编织复合材料的宏观弹性常数,并进一步研究了编织角和纤维体积分数对弹性常数的影响规律。     

三维多向编织复合材料宏细观力学性能有限元分析研究进展

三维多向编织复合材料综合力学性能优异,有望在航空航天领域作为主承力结构而得到广泛应用。有限元分析(FEA)方法是三维多向编织复合材料宏细观力学性能研究最为经济和有效的分析手段。从细观结构模型、刚度强度性能预测及界面性能分析等方面评述了细观有限元法的研究进展;从接头结构承载性能分析和冲击性能模拟等方面介绍了宏观有限元法的研究概况;分析了目前研究中存在的主要问题并对后续的研究工作进行了展望,为研究者了解该领域的研究现状和发展趋势提供了有价值的参考。     

工艺及编织参数对三维编织复合材料性能的影响

利用真空浸渍法和RTM工艺分别制备了不同的三维编程碳／环氧复合材料，研究了工艺条件和编织参数对复合材料力学性能的影响，分析了其不同的失效方式，并利用扫描电镜观察分析了弯曲断口。     

Mechanical properties of three-dimensional braided composites

Recently developed digital element approach, which treats textile composite manufacturing process as a nonlinear solid mechanics problem, was successfully used to investigate the complicated microstructure of 3D braided rectangular preform. The yarns interaction and cross-sectional deformation, which were neglected in traditional topological model, could be analyzed exactly. Results showed that yarns inside 3D braided preform were curvy, which was opposite to the straight-yarns assumption of topological model and, yarns curvature inside the preform, which was very difficult to be explored before both experimentally and theoretically, was investigated numerically. After that, the mechanical properties of 3D rectangular braided composites, such as tensile stiffness, shear stiffness and Poisson ratio were calculated through the volume-average-compliance method. Comparison was conducted for those from the topological model and digital element approach, and topological model was found to underestimate greatly both the tensile stiffness and shear stiffness.     

三维编织复合材料弹性性能的表面胞体效应

在作者已有的内胞模型基础上, 结合陈利等的面胞纱线走向及Chou 等对表面纤维束截面形状的描述,建立了由面胞和内胞组合的有限元分析模型, 比较真实地模拟了三维四向编织复合材料的真实结构。通过有限元计算预测了其弹性性能, 并同实验结果进行了比较, 分析讨论了三维四向编织复合材料的面胞对整体弹性性能的影响。研究结果证明了面胞在三维四向编织复合材料弹性性能有限元预测中的重要性。      

二维二轴编织复合材料几何模型及弹性性能预测

提出了二维二轴1×1和2×2编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的相互挤压及横截面的变化。基于细观分析和体积平均法,建立了预测二维二轴编织复合材料弹性性能的理论分析方法。数值结果与试验结果吻合,表明该方法行之有效,且具有运算快、精度高、适合工程分析等优点。分析了编织角、纤维体积含量和纤维束横截面形状对材料弹性常数的影响。研究表明,编织角对弹性常数的影响具有互补性,材料弹性模量与纤维体积含量成正比,纤维束截面形状变化对材料弹性常数影响不大。     

三维编织超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料力学行为及混杂效应

采用复合处理工艺对三维混杂超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维编织体进行表面处理, 通过RTM工艺制备了环氧树脂基混杂复合材料（UHMWPE/CF/ER）, 并研究了其力学性能及混杂效应。结果表明, 在纤维总体积分数一定的情况下, 随着超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂比的减小, 复合材料的弯曲强度、 弯曲模量及压缩强度增大, 而其纵向剪切强度及冲击韧性降低。三维编织混杂复合材料的断裂机制由混杂纤维的混杂比及其性质决定, 通过调节混杂比可实现对复合材料力学性能的有效调控。      

二维编织陶瓷基复合材料偏轴拉伸力学性能预测

基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。