双向纤维增强复合材料力学性能的均匀化有限元模拟

摘要

纤维增强复合材料（FRC）作为复合材料重要类型的一种，由于其具有的杰出的机械力学性能而广泛应用于各行各业中。但多数的研究都是基于单向纤维增强复合材料（UFRC）。与 UFRC不同的是，双向纤维增强复合材料（BFRC）可以沿着两个不同的方向定义其面内的力学性能。然而，由两种或多种相异的材料组成的复合材料的力学性能，不仅仅取决于其各组成成份的性能和结构，在一定程度上还受到界面的影响。因此，本文以 BFRC为研究对象，基于有限元方法和渐进均匀化方法，研究其整体性能以及界面性能对其整体宏观性能的影响。本文的研究内容及得到的结论主要包括以下几个方面：
　　首先，本文提出一种简化的微观结构解析模型，分别预测纤维泊松比的变化、纤维/基体模量比的变化以及纤维体积含量的变化对连续BFRC宏观等效力学性能的影响。且为验证解析模型的可靠性，通过 ABAQUS有限元建立了三维（3D）代表性体积单元（RVE）的细观模型与其进行对比，并编译了相关用户子程序代码。结果表明：本文所提出的解析模型与均匀化有限元方法模拟结果对比，能较好的评估BFRC等效弹性模量并较合理的预测抗拉强度的变化趋势。
　　其次，采用均匀化有限元的方法，基于表面的内聚力行为来研究无厚界面情况下，界面性能对 BFRC的宏观等效弹性模量和抗拉强度的影响。结果表明：BFRC的抗拉强度受粘度系数的影响较小；宏观等效参数都随着界面刚度的降低而逐渐减小；不同界面刚度下 BFRC面外发生失效破坏的形式不太相同；与界面断裂能相比，界面强度和界面刚度对面外抗拉强度有显著影响，而对面内抗拉强度影响较小；随纤维含量的增加面内抗拉强度大幅增加，面外抗拉强度却逐渐减小；与不考虑界面情况相比，界面的存在会降低BFRC的抗拉强度。
　　最后，采用有限元方法用内聚模型代替具有一定厚度的界面相，进一步分析界面相厚度、模量及强度对 BFRC力学性能的影响。结果表明：界面相厚度的减小，使得宏观等效弹性模量和泊松比都逐渐增加；界面相模量越大，BFRC等效弹性模量也越大，而抗拉强度却逐渐减小；界面相强度越大 BFRC面外抗拉强度增加，但达到一定值后保持不变，面内抗拉强度随之增大；且面外抗拉强度值始终小于基体的抗拉强度。

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第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究目的和内容

第2章内聚力模型和复合材料均匀化理论

2.1内聚力模型基本理论

2.2复合材料均匀化理论

2.3 ABAQUS中边界条件及分析步设定

2.4 ABAQUS中Python的实现

2.5本章小结

第3章预测连续双向纤维增强复合材料等效力学性能

3.1引言

3.2三维微观模型

3.3结果讨论

3.4本章小结

第4章界面对双向纤维增强复合材料力学性能的影响

4.1引言

4.2有限元模型

4.3结果分析

4.3本章小结

第5章界面相对双向纤维增强复合材料力学性能的影响

5.1引言

5.2有限元模型

5.3结果分析

5.4本章小结

第6章结论及展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

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