圆管状立体机织复合材料的多尺度分析

采用多尺度耦合的数值模型研究了圆管状立体机织复合材料的力学性能。建立了反映纤维束中纤维/基体二相材料的微观尺度单胞和反映周期性编织结构的细观尺度扇形单胞,并重点讨论了扇形单胞的周期性边界条件。通过逐级计算微观单胞、细观单胞的平均弹性常数,得到了圆管状立体机织复合材料的刚度参数,实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能,模型预测刚度与试验结果吻合。另一方面,研究了从大到小各尺度耦合的应力分析,对于圆管环向应力非周期分布的情况,建立了嵌入细观单胞的环状模型,进行了复杂荷载下从宏观圆管结构、到细观纤维束尺度、再到微观纤维尺度之间的逐级应力分析。     

有限元法在颗粒填充型复合材料结构与力学性能关系研究中的应用

颗粒填充型复合材料在包装中的应用越来越广泛,材料的性能在本质上由其结构决定。从颗粒填充型复合材料的结构模型的建立、边界条件、界面分析和网格划分4个角度,对用有限元法研究颗粒填充型复合材料的力学性能进行了介绍与分析。重点对比说明了基于几何建模的周期性单胞单颗粒模型、多颗粒模型和基于实际微观结构的有限元模型,归纳了各种模型的边界条件设置,并讨论说明了界面性质和网格划分对预测复合材料力学性能结果的影响。此外,还展望了有限元法研究其他复合材料力学性能的发展方向。     

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。      

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。     

石墨化参数对四向炭/炭复合材料残余应力的影响

依据四向编织炭/炭复合材料的结构特点,建立了能反映其编织方式和空间构型的单元体胞模型.在单胞几何模型和介观计算力学基础上,采用有限元方法研究了在不同石墨化温度、降温梯度和界面刚度情况下四向编织炭/炭复合材料的残余热应力分布.研究表明:低温石墨化复合材料的残余热应力比高温石墨化时小.界面刚强度低时石墨化过程中残余热应力比界面刚强度高时小.冷却速率越快,残余热应力越大.     

三维全五向编织复合材料弹性性能及热物理性能的有限元分析

在三维全五向(Q5D)编织复合材料细观结构模型的基础上,建立了其单胞参数化有限元模型.通过施加合理的边界条件,计算得到了Q5D编织复合材料的弹性常数、热传导系数和热膨胀系数,所得结果与现有的实验数据吻合较好.在此基础上,深入研究了纤维体积分数、编织角等工艺参数对材料弹性性能和热物理性能的影响规律,并将计算结果与三维四向(4D)和三维五向(5D)编织复合材料的相应结果进行了对比.结果表明,Q5D编织复合材料具有较好的力学性能和纵向导热性能,其零膨胀结构的可设计性更强,为进一步研究此种结构材料的强度问题和热力耦合问题奠定了基础.     

考虑单向复合材料复杂微观结构的细化单胞模型

通用单胞模型常被应用在复合材料细观力学分析上。但原始的通用单胞模型存在求解量大、计算效率低的问题。该文对其改进,建立了以子胞界面细观应力为未知量的细化单胞模型。利用该模型研究复杂的微观结构包括纤维截面形状/排列方式,界面相材料属性/几何厚度,夹杂/空隙对单向纤维复合材料宏观弹性常数的影响。通过与其他研究方法和试验数据对比证实了该预测模型具有更高的计算效率,计算精度和更广泛的普适性。该文模型子胞划分更细致,克服了原始通用单胞模型无法分析复杂微观结构的不足。有望将损伤力学引入该模型中建立一个有力的分析工具,来进行复合材料结构宏/细观多尺度损伤力学分析。     

2.5维C/SiC复合材料经向拉伸性能

将微观尺度的强度预测模型与单胞尺度有限元模型相结合, 建立了2.5维C/SiC复合材料的双尺度强度预测模型。该模型首先计算微观尺度的应力-应变曲线以及最终失效时的力学性能, 然后将其带入单胞模型, 对不同边界条件下单胞模型的弹性模量进行折减, 统计单胞模型的平均应力与应变, 最后得到单胞尺度的应力-应变关系和最终失效时的力学性能。通过2.5维C/SiC复合材料常温和高温条件下的经向单轴拉伸试验, 得到了2.5维C/SiC复合材料经向拉伸过程的应力-应变曲线以及最终失效时的力学性能。结果表明, 理论分析结果与实验值基本一致, 验证了该方法的有效性。     

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。      

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.     

三维编织复合材料热物理性能实验

针对不同编织工艺参数的三维四向编织复合材料,进行了热环境下的热物理性能实验研究,获得了热环境下三维四向编织复合材料的热物理性能变化规律及其分布特征,分析了环境温度和编织角对材料的热膨胀系数(CTE)、热传导系数(CTC)、比热(SH)以及热扩散率(TD)的影响,得到了一些重要结论。这些结果为三维编织复合材料的热物理性能数值分析以及进一步研究材料的热力耦合行为奠定了实验基础。     

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.     

三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料在热环境中的拉压力学性能实验

针对不同编织角度的三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料,进行了热环境下的轴向拉伸和压缩力学性能实验研究,讨论了温度对三维四向编织复合材料的轴向拉伸和压缩力学性能的影响,并根据宏观断裂形貌和SEM图像分析了材料的破坏和断裂机制。结果表明,随着测试温度的升高,三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料的纵向拉伸强度有小幅提高,而纵向压缩强度显著降低。在室温条件下,编织角对材料的纵向拉伸破坏特征没有影响,而对材料的纵向压缩破坏特征有较大影响。随着测试温度的升高,不同编织角度复合材料的纵向拉伸和压缩的损伤破坏形态均与室温条件下明显不同。      

预制体结构及界面对三维SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响

为研究预制体结构及界面对三维编织SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响,采用先驱体浸渍裂解法（PIP）分别制备了三维四向和三维五向SiC/SiC复合材料,并引入热解炭/碳化硅（PyC/SiC）复合界面层,进行拉伸性能测试和断口形貌观察。结果表明,三维五向SiC/SiC复合材料拉伸性能优于三维四向SiC/SiC复合材料,三维五向SiC/SiC复合材料的拉伸强度、模量和断裂应变分别是三维四向SiC/SiC复合材料的1.22倍、1.25倍、1.43倍,且比三维四向SiC/SiC复合材料具有更好的强度可靠性。这是由于三维五向SiC/SiC复合材料增加了受力方向的纤维含量,限制了纤维在外力作用下的转动和变形,起到定型和稳固作用。添加PyC/SiC复合界面层,三维五向SiC/SiC复合材料的拉伸强度、模量及断裂应变分别提高了21.7%、15.0%和11.0%。界面的存在可以保护纤维,调节纤维与基体之间的热应力,受力时诱使裂纹偏转和分叉,消耗能量,提高三维五向SiC/SiC复合材料的拉伸性能。      

三维全五向编织复合材料的特性及制备

三维编织复合材料是一种先进复合材料,在航空航天等尖端领域的应用越来越广泛。本文分析了传统三维编织复合材料的优势、用途及存在的缺陷和不足,并提出了改进该材料性能的可能途径,即发展一种新的三维全五向编织复合材料。针对三维全五向编织复合材料这种新型的编织形式,提出了几种可能的工艺实现途径,指出用四步法编织是对材料性能影响最小,最可能实现工业化生产的途径。最后,以三维全五向编织法兰为例,对其在制备过程中的材料选择、模具设计及固化工艺进行了详细的讨论。     

三维四向编织复合材料的黏弹性能

基于均匀化理论建立了预测具有微观周期性结构复合材料黏弹性能的力学模型。利用此模型并结合有限元法分别研究了纤维束和三维编织复合材料的黏弹性能。通过对计算结果的分析, 给出了三维编织复合材料黏弹性能随工艺参数变化的规律。结果表明, 三维编织复合材料编织方向的黏弹性效应随编织角的增大而增强, 随纤维体积比的增大而减弱, 此规律与实验结论一致。     

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。     

Effects of braiding angle on modal experimental analysis of three-dimensional and five-directional braided composites

In this paper, the experimental modal analysis of three dimensional (3D) and five (5)-directional braided composite cantilever beams with different braiding angle was conducted systematically with a simple testing system. Preforms were made by four-step 1 × 1 square integral braiding method. The first three order modes of composite specimens were derived, which are different with braiding angles. The experimental result and mechanism were discussed. Experimental observations and analytical predictions show that the natural frequency of specimens decreased and the damping ratio of specimens increased when the braiding angle increased. Furthermore, specimens with smaller braiding angle will be valuable for the better anti-exiting property, and have an opposite effect on dissipation of vibration energy. The comparison between the specimens with different braiding angles reveals that braiding angle is a crucial factor for the vibration performance design of 3D and 5-directional braided composites.     

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。