碳/碳编织复合材料微结构设计与计算

摘要

碳/碳编织复合材料因具有高比强度、高比刚度，优异的高温性能、出色的抗冲击损伤能力以及对开裂和损伤扩展不敏感等特点，而广泛应用于航空航天领域，同时也成为材研究料领域的热点。然而，现存的以试验作为基础的研究方法效率较低，成本较高，且宏观试验对于微观性能表征不足，无法本质性的诠释碳/碳编织复合材料的性能。基于以上问题，本文以数值技术为先导从碳/碳编织复合材料的微观组织结构入手，从组成物的角度上来分析材料的结构，研究材料的性能。以期为碳/碳编织复合材料结构的优化和性能的表征提供理论支持和数据参考。本文研究的主要内容如下：
　　 第一，在代表性体积单元(REV)模型的基础上将材料微观尺度上的缺陷作为主要的研究对象，评测碳/碳编织复合材料中不同缺陷对其力学性能的影响，对比不同缺陷的危害程度。然后将多种缺陷混合夹杂，模拟实际生产中可存在的缺陷情况。预测在多种缺陷夹杂状态下材料力学性能的变化，来研究材料中缺陷对于整体材料力学性能的影响。
　　 第二，碳/碳编织复合材料一般都具有异质性特点，为模拟该特性，对RVE模型进行改进，引入各向异性界面和不均匀的基体。分析异质性对其力学性能的影响，并在异质性模型的基础上添加缺陷，计算缺陷导致的力学性能变化，得到缺陷影响性理论。
　　 最后，对碳/碳编织复合材料进行微结构优化，在代表体积单元RVE中提取纤维单丝及其周围界面作为研究对象，称之为碳纤维单丝及界面(CFI)模型。将碳纤维提取处的RVE温度场计算结果继承到CFI模型局部坐标之下，利用有限元方法进行顺序热力耦合计算。在局部柱坐标下得出CFI模型中纳米槽位置高温下的应力分布状态，评估咬合力，分析纳米槽对结合性能的影响性，评判微结构优化的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪 论

1.1引言

1.2复合材料简介

1.3数值模拟技术

1.3.1数值模拟技术介绍

1.3.2 CAE技术

1.4模拟软件及编程语言

1.4.1 ABAQUS有限元软件介绍

1.4.2 Python语言简介

1.4.3 Python对ABAQUS的二次开发能力

1.5微观组织结构理论及有限元模型基础

1.5.1材料微观组织结构

1.5.2材料的微缺陷

1.5.3现有力学分析方法评析

1.5.4力学模型的研究现状

1.5.5 RVE有限元模型

1.6课题研究的意义、技术路线及主要研究内容

1.6.1本课题的研究意义

1.6.2研究的技术路线

1.6.3主要研究内容

第2章 碳／碳编织复合材料微结构缺陷分析

2.1引言

2.2碳／碳编织复合材料微结构力学性能及模型划分

2.2.1碳基体性能

2.2.2增强纤维性能

2.2.3界面相性能

2.2.4RVE模型的微结构表征

2.3微结构缺陷的分类

2.3.1纤维断丝

2.3.2界面脱开

2.3.3基体缩孔

2.4微结构缺陷的表征与影响性分析

2.4.1微结构缺陷的研究方法

2.4.2理想模型的力学性能

2.4.3纤维断丝的表征及影响性分析

2.4.4界面脱开的表征及影响性分析

2.4.5基体缩孔的表征及影响性分析

2.4.6多缺陷的综合影响性

2.5本章小结

第3章 碳／碳复合材料微结构异质性分析

3.1引言

3.2微结构异质性分类及表征

3.2.1界面各向异性

3.2.2界面性能混杂

3.2.3基体性能的区域性不均匀

3.3异质性对复合材料性能的影响性分析

3.3.1界面各向异性的影响性分析

3.3.2界面性能混杂的影响性分析

3.3.3基体性能不均匀性的影响性分析

3.4异质性模型的缺陷分析

3.4.1异质性模型中单一缺陷的影响性分析

3.4.2异质性模型中多缺陷混杂的影响性

3.5本章小结

第4章 纤维微结构优化分析

4.1引言

4.2 CFI模型的有限元建模

4.2.1子模型理论

4.2.2子模型的选取

4.2.3子模型细化处理

4.3材料属性的赋予以及边界的继承

4.3.1材料属性的赋予

4.3.2边界条件的继承

4.4热力耦合场计算及优化评估

4.4.1热应力应变计算与评估

4.4.2热膨胀率计算与评估

4.5纳米槽细化计算

4.5.1细部模型的建立

4.5.2边界条件的确定

4.5.3细部模型的热力耦合计算与分析

4.6本章小结

结 论

参考文献

致 谢

附录A 攻读学位期间发表的论文