平纹织物复合材料微观结构特征对材料弹性常数的影响研究

摘要

本文以高超声速飞行器复合材料结构设计与分析为背景，深入开展平纹织物复合材料微观结构特征对材料弹性常数的影响研究。首先利用不同的制备工艺和加工工艺分别制备了三种典型平纹织物复合材料(E-Glass/Epoxy、C/Epoxy和C/SiC）的中尺度和微尺度微观结构成像实验样品，并分别进行了中尺度和微尺度Micro CT成像和扫描电镜成像实验，利用获得的Micro CT图像和扫描电镜图像详细分析了三种复合材料在不同尺度上的微观结构特征及其成因。
　　对织物复合材料中的纤维束进行了特征化描述，并对Micro CT图像进行了特征参数的切片测量。建立了一种基于椭圆投影的纤维束法向截面形状参数计算模型，解决了通过Micro CT切片数据无法直接获得纤维束法向截面形状参数数据的难题。提出了一种真实极值切片搜寻方法，解决了纤维束参考点的确定问题。提出了基于参考周期法的纤维束特征参数统计分析方法，解决了平纹织物复合材料特征参数的统计属性获取问题。利用特征参数统计分析方法对三种典型平纹织物复合材料的特征参数进行了统计分析，获得了特征参数的系统趋势（均值）、全局均值、标准差和相关长度等统计特征。
　　提出了一种变尺度坐标变换方法，建立了基于真实微观结构特征的织物复合材料弹性常数计算模型，解决了材料弹性常数计算模型中难以引入真实微观结构特征变化的问题，获得了平纹织物复合材料随机特征参数对材料弹性常数的影响边界。该模型的三个显著优点是：a)不需要应用各向异性理论和有限元方法，仅仅需要纤维束特征参数的均值和标准差；b)可以方便地参数化分析织物微观特征参数的变化对材料弹性常数的影响；c)对于某些特殊情况（如单根笔直纤维束情况），可以给出解析解。
　　提出了织物复合材料组分材料体分比的Micro CT实验测定法，解决了织物复合材料局部纤维体分比和纤维束体分比的测定难题。E-Glass/Epoxy织物复合材料全局纤维体分比的Micro CT实验测定值与ASTM D3171 G实验测定值间的对比结果表明，Micro CT实验测定法是合理可信的。该测定法不仅可以通过不同尺度的Micro CT图像分别测定全局纤维体分比、局部纤维体分比和纤维束体分比，而且还为C/Epoxy和C/SiC复合材料的组分材料体分比测定提供了新的解决方案。
　　将所获得的特征参数全局均值和组分材料体分比输入所构建的平纹织物复合材料弹性常数的计算模型，研究了E-Glass/Epoxy和C/Epoxy平纹织物复合材料的随机特征参数对材料弹性常数的影响。参数化研究了织物编织结构参数、组分材料弹性常数和体分比参数对平纹织物复合材料随机弹性特征的影响。
　　建立了平纹织物复合材料弹性常数的离散化理论模型（称为离散模型），将E-Glass/Epoxy和C/Epoxy平纹织物复合材料特征参数的统计属性值（均值、标准差和相关长度）和组分材料体分比输入离散模型，分别获得了两种材料随机特征参数对材料弹性常数的影响范围。材料弹性常数理论预测值、有限元预测值和力学实验测定值间的对比结果表明：离散模型可以更加精确地预测材料的弹性常数；平纹织物复合材料特征参数的随机波动会降低材料的面内弹性模量，增加面内剪切模量和面内泊松比；平纹织物复合材料随机特征参数对材料弹性常数的影响不仅与特征参数的统计属性密切相关，而且还与组分材料弹性属性、编织结构参数和组分材料体分比密切相关。
　　本文所构建的平纹织物复合材料弹性常数计算模型可以拓展至其它类型的织物复合材料。本文的研究成果揭示了平纹织物复合材料中尺度微观结构特征与材料弹性常数间的关系，为进一步研究平纹织物复合材料微观结构特征对材料损伤行为和强度特征的影响奠定了基础。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.3本文研究内容及章节安排

第二章 平纹织物复合材料的微观结构成像实验

2.1微观结构成像实验原理

2.2微观结构成像实验样品的制备

2.3三种典型平纹织物复合材料的微观结构特征

2.4小结

第三章 平纹织物复合材料特征参数的统计分析方法

3.1织物复合材料纤维束的特征化描述

3.2纤维束特征参数的Micro CT切片测量

3.3基于椭圆投影的纤维束法向截面形状参数计算模型

3.4基于参考周期法的纤维束特征参数统计分析方法

3.5应用与分析

3.6小结

第四章 平纹织物复合材料弹性常数计算模型

4.1变尺度随机模型

4.2纤维束弹性常数计算模型

4.3平纹织物复合材料弹性常数计算模型

4.4小结

第五章 织物复合材料组分材料体分比的Micro CT实验测定

5.1 E-Glass/Epoxy组分材料体分比的测定

5.2 C/Epoxy组分材料体分比的Micro CT实验测定

5.3小结

第六章 织物复合材料随机特征参数对弹性常数的影响研究

6.1典型平纹织物复合材料随机特征参数对材料弹性常数的影响研究

6.2组分材料弹性常数对平纹织物复合材料随机弹性特征的影响研究

6.3编织结构参数对平纹织物复合材料随机弹性特征的影响研究

6.4组分材料体分比对平纹织物复合材料随机弹性特征的影响研究

6.5小结

第七章 平纹织物复合材料弹性常数的统计预测与力学实验

7.1理论模型的线性离散化

7.2平纹织物复合材料弹性常数的有限元预测

7.3平纹织物复合材料的室温力学性能实验

7.4应用与分析

7.5小结

第八章 结论与展望

8.1结论

8.2展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A 局部随机变尺度基的系数