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。     

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.     

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。      

三维多向编织复合材料温度效应综述:热传导、热膨胀性质和力学响应

三维编织复合材料因其结构整体性好、综合性能优异,已成为航天、航空、国防领域部分主承力构件和高功能制件的首选材料。然而,三维编织复合材料结构件在服役过程中不可避免地处于高温、低温或温度急剧变化等恶劣环境,由于三维编织复合材料增强体和基体热物理性能的巨大差异将严重威胁结构尺寸的稳定性及结构使用寿命。本文主要从实验、理论和数值仿真研究三方面,综述了近年来国内外对三维多向编织复合材料热物理性能和温度效应影响下力学性能的研究成果及研究进展。首先分析了现有研究中编织工艺、编织参数、环境温度、界面、缺陷等因素对三维多向编织复合材料热传导性能和热膨胀性能的影响规律。其次以细观结构、全尺寸、多尺度模型为主分析了不同结构几何模型的区别与联系。最后探讨了高、低温环境温度和不同载荷形式对三维多向编织复合材料组分材料损伤、失效形态及热力耦合行为的影响机制,并同时总结了现有研究工作中的重点与发展方向。      

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.     

热氧老化对碳纤维织物增强聚合物基复合材料弯曲性能的影响

为了探索增强体结构对碳纤维增强聚合物基复合材料(CF-PMCs)热氧老化后弯曲性能的影响,对三维四向编织碳纤维/环氧复合材料(简称为三维编织复合材料)和层合平纹碳布/环氧复合材料(简称为层合复合材料)的热氧老化性能进行了研究。利用FTIR、老化失重、弯曲测试和SEM等手段分析了热氧老化前后的试样。结果表明:热氧老化导致基体树脂的氧化断链以及纤维/基体界面结合力的退化是两种复合材料弯曲强度和弯曲模量下降的原因,弯曲强度比弯曲模量更容易受热氧老化的影响。在相同的热氧老化条件下,层合复合材料的热氧老化失重大于三维编织复合材料的,而三维编织复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率均大于层合复合材料的。在140℃下老化1 200h后,层合复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率分别为74.7%和88.3%,而对应的三维编织复合材料的分别为79.4%和91.5%。因此,采用三维编织预制件作为CF-PMCs的增强体是一种有效的提高其热氧稳定性的方法。     

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。     

三维编织复合材料的热激波传播衰减特性

采用保护环式石英压电测量技术 ,在“闪光 2号”脉冲电子束加速器上 ,进行了三维编织复合材料的热激波传播衰减特性实验研究。实验结果表明 :(1)在电子束能注量为 5 70～ 970J cm2 ,对厚度为 10mm的三维编织复合材料 ,其热激波应力峰值约为 0 15～ 0 39GPa ,只有相同条件下LY - 12铝的 6 %左右。这说明三维编织复合材料具有良好的衰减热激波的性能 ;(2 )热激波在三维编织材料的传播中 ,相对LY - 12而言 ,其上升和作用时间都被明显展宽     

三维四向编织碳/环氧复合材料实验研究

讨论了三维四向编织碳/环氧复合材料力学性能研究的实验方法。通过实验得到了弹性常数及反映材料非线性行为的力学性能指标随编织角的变化规律, 并分析讨论了编织参数对该类材料破坏模式的影响作用。      

三维编织复合材料悬臂梁的振动特性

基于三维四向和五向编织复合材料的细观结构和单胞模型, 对三维四步法矩形截面编织复合材料悬臂梁的振动阻尼性能进行了理论分析, 研究了编织角、 纤维体积分数等工艺参数对材料振动阻尼特性的影响, 并与实验结果进行了对比。对三细胞模型进行了改进, 采用混合律得到了材料的总体刚度, 进而得到一阶固有频率。此外, 还分别计算了一个周期内不同走向纱线和基体振动消耗的能量, 以及总振动能量, 得到了材料的损耗因子。结果表明, 对于三维四向和五向编织复合材料, 一阶固有频率随编织角的增加而减小, 随纤维体积分数的增加而增大; 而损耗因子随编织角的增加而增大, 随纤维体积分数的增加而减小, 并表现出明显的非线性变化规律。      

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.     

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.     

三维五向编织复合材料纵向性能的实验研究

通过对具有不同编织结构参数的三维五向编织复合材料试件的纵向拉伸和压缩实验,分析了该类材料的纵向拉、压刚度和强度随编织工艺参数的变化规律以及材料的失效形式.三维五向编织复合材料在破坏前基本保持线弹性,纵向拉、压破坏具有脆性特征,拉伸模量和压缩模量比较接近,但拉伸强度远大于压缩强度.编织角和纤维体积含量对材料性能的影响显著,纱线粗细的影响不大.提高第五向纱线的比例,可提高材料的纵向性能.此外,研究中采用短标距薄板试件,以避免试件产生整体屈曲和端部纤维束开裂破坏.     

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。     

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。      

Finite Element Analysis of Thermo-Mechanical Properties of 3D Braided Composites

This paper presents a modified finite element model (FEM) to investigate the thermo-mechanical properties of three-dimensional (3D) braided composite. The effective coefficients of thermal expansion (CTE) and the meso-scale mechanical response of 3D braided composites are predicted. The effects of the braiding angle and fiber volume fraction on the effective CTE are evaluated. The results are compared to the experimental data available in the literature to demonstrate the accuracy and reliability of the present method. The tensile stress distributions of the representative volume element (RVE) are also outlined. It is found that the stress of the braiding yarn has a significant increase with temperature rise; on the other hand, the temperature change has an insignificant effect on the stress of the matrix. In addition, a rapid decrease in the tensile strength of 3D braided composites is observed with the increase in temperature. It is revealed that the thermal conditions have a significant effect on the strength of 3D braided composites. The present method provides an effective tool to predict the stresses of 3D braided composites under thermo-mechanical loading.     

三维编织复合材料力学性能的实验研究

对四步法三维编织复合材料的拉伸、压缩和弯曲等性能进行了实验研究，得到了该材料的主要力学性能参数及破坏规律。实验结果表明：三维编织复合材料具有良好的力学性能，而编织工艺和编织结构对复合材料的性能有较大的影响，这些结果为进一步研究复合材料的强度反作用失效问题奠定了实验基础。