三维编织复合材料几何建模及界面损伤力学研究

摘要

三维编织复合材料性能优良其最大优势是具有高的可设计性，在航空航天、国防、医疗、民用设施等高科技领域被广泛应用。因此，对这种高性能材料的力学性能及损伤情况的研究就变得尤为重要。目前，对三维编织复合材料力学行为的研究取得了一定的成果，但仍然有许多问题需要进一步研究分析。本文针对三维编织复合材料，从弹性常数预测、纤维及纤维基体界面受力、纤维损伤三个方面进行了研究。
　　 第一章介绍了三维编织复合材料的产生和发展过程，综述了从几何建模、力学性能数值仿真、界面力学分析等方面对三维编织复合材料取得的成果和研究现状，并说明了本文的选题目的和研究意义。
　　 第二章通过采用内部单胞纤维弯曲模型、表面单胞和角单胞折线模型的三单胞模型来预报三维编织复合材料的有效弹性模量。首先，建立周期性的三单胞模型，根据纤维在模型中的几何分布，分别计算出各个模型中纤维和基体的体积百分比。然后，通过刚度平均得到各单胞模型的刚度矩阵。最后，通过体积平均法得出了三维编织复合材料预制件的有效弹性模量。
　　 第三章研究了单根直纤维及界面的受力分析。首先，弯曲的纤维可以表示为一系列直纤维微元通过坐标变换组合而成，通过对纤维拔出模型理论方面的分析得到纤维轴向应力和剪切应力。然后，通过有限元软件对纤维拔出模型进行模拟，得到纤维和基体的应力云图和数据。最后，对结果进行了分析，并对材料可能发生损坏进行了阐述。
　　 第四章探讨了带有缺陷的编织复合材料界面的应力场分布。首先，通过轴对称界面端奇异应力场的特征值法、界面力学和断裂力学的理论对三维编织复合材料在两种缺陷下的应力场分布和断裂准则进行了理论分析。然后，通过有限元软件对两种缺陷进行了数值模拟，得到了奇异点处的应力场和应力强度因子。最后还模拟分析了裂纹尺度对材料应力场的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

第2章 三维编织复合材料几何建模及弹性常数预测

第3章 三维编织复合材料纤维拉拔力学分析

第4章 三维编织复合材料界面裂纹及界面端破坏准则

第5章 结论与展望

参考文献

致 谢

在学期间主要科研成果