三维六向编织复合材料力学性能及其参数反演分析

摘要

三维六向编织复合材料是在三维四向编织预成型体的基础上，分别在纵向和横向上添加不动纱而形成的一种整体结构性能良好的编织结构，因其除了具有高比刚度、高比强度的优点之外，在面外性能、剪切性能、结构可设计性等方面表现优异，故在航空航天领域应用前景广阔。但研究其力学行为的文献报道较少，仅有的研究主要针对的是不同编织角、不同纤维体积分数对材料拉伸或连接性能的影响，这是设计阶段材料选型和使用过程中工艺要求所需要的，但作为一种典型的正交各向异性和拉压双模量复合材料，在设计和使用阶段，还需重点考虑材料在不同工况下、不同方向上的力学性能差异，此外，针对材料刚度的预报，目前还缺乏与真实细观结构观测结果的结合和考虑拉压不同性能，而且借鉴于纤维增强层合板相关实验标准，对材料进行性能测试，面临实验工作量大、周期长、效率低、费用高等困难，且在不同类型的实验之间，由于试样形状不一和复合材料数据的离散性，在对数据进行横向比较方面存在一定难度，急需发展一种一次实验测出多个力学性能参数的方法。因此，针对上述存在的不足和困难，本文主要进行以下三个方面的研究。
　　本文首先对小编织角、中等纤维体积含量的T300/TDE86三维六向编织复合材料进行了不同工况下、不同方向上的力学性能试验，包括：纵向拉伸、三个不同方向上的压缩和面内剪切性能试验，获得了相应的强度和模量等数据，以及破坏模式与损伤机制，并详细横向比较了它们之间的异同及原因。其次在四步法编织工艺的基础上，对原始材料和烧去树脂后的材料进行了不同方位上不同纱线走向的观测，确定了材料的细观结构形式和特征参数，以及纱线之间的扭结、接触情况，在一定假设条件的基础上，考虑到材料宏观实际尺寸，建立了厚度方向上的全尺寸几何分析模型，采用已有文献关于纤维束和基体的组分材料力学性能参数，利用刚度组装技术对几何分析模型进行了不同方向上的刚度预报，预报结果与实验数据相比，除厚度方向压缩性能和面内剪切刚度误差较大外，其余吻合均较好，说明了本章刚度预报方法的准确性；最后联合使用数字图像相关技术（DIC）和有限元对三维六向编织复合材料的开孔试样在拉伸条件下进行了真实应变场和模拟应变场之间的误差分析，并搭建了优化更新平台，以支反力为约束条件，应变场误差为目标函数，采用单纯形法对四个面内性能参数为设计变量进行了优化，收敛结果与相应试验测试数据吻合较好，说明了该平台的可行性。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文主要研究内容

第2章 三维六向编织复合材料力学实验研究

2.1 引言

2.2 实验材料

2.3 单轴拉伸实验

2.4 单轴压缩实验

2.5 面内剪切性能实验

2.6 本章小结

第3章 三维六向编织复合材料刚度预报

3.1 引言

3.2 四步法三维六向编织工艺

3.3 三维六向编织复合材料细观结构的观测

3.4 刚度理论分析的几何模型

3.5 弹性性能理论推导分析

3.6 结果及讨论

3.7 本章小结

第4章 三维六向编织复合材料参数反演分析

4.1 引言

4.2 力学性能参数反演分析的实现途径和方法

4.3 利用单轴开孔拉伸实验进行面内力学性能参数反演分析

4.4 本章小结

结论

附录

附录1 三维六向编织复合材料刚度预报程序

附录2 三维六向编织复合材料有限元模型的Python程序

附录3 DIC应变场数据和ABAQUS应变场数据的误差函数

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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