含随机分布碳纳米管树脂基2D编织复合材料力学性能多尺度研究

摘要

2D编织复合材料因其良好的结构整体性、可设计性和抗冲击等性能，成为现代飞行器结构设计的重要选材之一。然而，研究表明：基体性能很大程度控制着2D纺织复合材料的关键力学性能。为提升和改善2D纺织复合材料力学性能，围绕树脂基体材料的改性和增韧研究，已成为提高2D编织复合材料综合力学性能的重要举措之一。目前，碳纳米管因其优异的力学特性，备受复合材料学术界和工业界高度关注，其可作为一种重要的增强体用于改性树脂基体性能。因此，研究含随机分布碳纳米管树脂基2D编织复合材料的力学性能及增韧机制，具有重要的学术价值和工程意义。
　　本文基于均匀化等效思想和多尺度建模方法，研究了含随机分布碳纳米管树脂基2D编织复合材料弹性性能及影响因素。首先，在纳米尺度上，基于碳纳米管的实体纤维等效模型和改进的随机顺序吸附算法，建立了含随机分布波形碳纳米管增强树脂基复合材料的几何模型，基于连续介质力学方法，发展了基于特征胞元的含碳纳米管树脂基参数化有限元模型，并结合实验数据验证了所建模型的有效性。其次，基于2D编织复合材料编织工艺，建立了2D二轴1×1编织复合材料的实体单胞参数化模型，采用均匀化等效思想，嵌入含随机分布碳纳米管树脂基体材料等效本构，结合周期性边界条件，建立了基于细观胞元的2D编织复合材料弹性性能有限元分析模型，详尽分析了含碳纳米管改性树脂对2D编织复合材料弹性性能的影响，经与实验数据对比，证明了模型的合理有效性。研究发现：当树脂基体中碳米管直径为30纳米、体积分数为0.5％时，2D二轴1×1编织复合材料横向弹性性能提高了约10%~16%，其轴向弹性模量的增强效果与材料的编织角高度相关。最后，系统讨论了编织角和纤维体积含量对含碳纳米管2D二轴1×1编织复合材料的弹性性能的影响规律。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状与分析

1.3 研究内容及目标

1.4 论文结构安排

第二章 基础理论及关键技术

2.1 弹性材料本构关系

2.2 圆柱相交检 测算法

2.3 纳观-细观多尺度建模方法

2.4 本章小结

第三章 含随机分布碳纳米管增强树脂基复合材料几何模型研究

3.1 引言

3.2 波形碳纳米管生成算法

3.3 实体单胞参数化建模

3.4 本章小结

第四章 含随机分布碳纳米管增强树脂基复合材料力学性能研究

4.1 引言

4.2 含随机分布碳纳米管增强树脂基有限元建模

4.3 胞元尺寸的分析

4.4 样本容量的分析

4.5 有限元模型的验证

4.6 碳纳米管波形对弹性性能的影响

4.7 本章小结

第五章 随机分布碳纳米管树脂基2D编织复合材料力学性能研究

5.1 引言

5.2 2D二轴1x1编织复合材料细观胞元结构建模

5.3 2D二轴1x1编织复合材料细观胞元有限元建模

5.4 含随机分布碳纳米管2D编织复合材料弹性性能预测

5.5 编织角对含碳纳米管2D编织复合材料弹性性能的影响

5.6 纤维体积含量对含碳纳米管2D编织复合材料弹性性能的影响

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献