碳纳米管/碳纤维多尺度风机叶片复合材料力学性能预测

摘要

在风机叶片大型化、轻质化以及海洋化的发展趋势下，要求更高强度和刚度的叶片复合材料。具有优异性能的碳纳米管的发现为风机叶片复合材料的发展带来了新的契机。利用化学气相沉积法使碳纳米管原位生长在碳纤维上形成多尺度增强体，不仅能有效地改善碳纳米管在基体中的团聚缺陷，还由于碳纳米管的径向分布使多尺度复合材料的横向增强效果加强，并改善碳纤维与基体的界面粘结性能。本文采用均匀化理论，利用ANSYS/APDL语言编写计算程序，建立复合材料多尺度模型，运用二次均匀化方法，预测了碳纳米管/碳纤多尺度风机叶片复合材料的等效性能，为碳纳米管在叶片材料中的应用提供依据。
　　首先建立了预测碳纳米管/碳纤多尺度风机叶片复合材料等效力学性能的二维模型。利用ANSYS/APDL语言编写计算程序，通过二次均匀化方法，预测了碳纳米管参数（生长长度、生长直径、弹性模量）、碳纤维参数（直径、弹性模量）和碳纤维不同排布（正方形排布、正三角形排布以及正方形对角排布）、基体特性（弹性模量、泊松比）及碳纳米管与基体界面层的特性（厚度、体积分数、弹性模量、泊松比）等对多尺度风机叶片复合材料等效性能的影响规律。结果表明，碳纳米管的原位生长提高了多尺度复合材料的等效性能；作为主要的承载体，合理的碳纤维尺寸与排布也能大大改善其等效性能；选择合适的基体能改善复合材料的等效性能；碳纳米管与基体界面层的存在对复合材料的等效性能影响不大。
　　其次建立了预测波形碳纳米管/碳纤多尺度风机叶片复合材料等效力学性能的二维模型。预测了波形碳纳米管的参数（振幅、波长、生长直径、体积分数）对多尺度风机叶片复合材料等效性能的影响规律。结果表明，波形碳纳米管对多尺度风机叶片复合材料的等效性能有一定影响。
　　本文研究为多尺度复合材料在风机叶片中的应用提供一定的指导作用。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 风机叶片复合材料的发展概述

1.3 多尺度复合材料的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 渐进均匀化理论

2.1 引言

2.2 均匀化方法

2.3 有限元法求解

2.4 周期性边界条件

2.5 基于APDL的均匀化程序实现

2.6 数值算例验证

2.7 本章小结

第3章 多尺度复合材料等效性能预测

3.1 引言

3.2 二次均匀化方法

3.3 纳观单胞模型验证

3.4 材料参数

3.5 CNTs对多尺度复合材料等效性能的影响

3.6 碳纤维对多尺度复合材料等效性能的影响

3.7 基体对多尺度复合材料等效性能的影响

3.8 界面层对多尺度复合材料等效性能的影响

3.9 本章小结

第4章 波形碳纳米管对多尺度复合材料等效性能的影响

4.1 引言

4.2 波形CNTs单胞模型

4.3 波形CNTs参数的影响

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

附录A(攻读硕士学位期间已公开发表的论文)