低膨胀三维编织复合材料细观结构优化设计

摘要

三维编织复合材料作为一种新型高级的复合材料，在国内外得到迅速的发展。本文主要针对三维编织复合材料的轴向热膨胀性能进行了研究。一方面，利用已有的单胞模型，通过刚度体积平均法结合传统的层合板复合材料热弹性分析理论预测了三维编织复合材料热力学的等效热膨胀系数，为三维编织复合材料热膨胀系数的预测提供了一种十分简捷的方法。另一方面，根据三维编织复合材料具有可设计的特点，运用遗传算法通过调整三维编织复合材料的编织角、纤维体积含量、编织结构和纱线粗细等结构参数，从而优化计算出具有低膨胀特性的三维编织复合材料。
　　 首先基于已有的单胞模型，通过刚度体积平均法结合传统的层合板热弹性分析理论的方法对三维四向、三维五向和三维六向编织复合材料的等效热膨胀系数进行了理论预测，并建立了编织角、纤维体积含量、编织结构和纱线粗细等结构参数与材料热膨胀性能之间的关系。然后针对三维四向、三维五向和三维六向编织复合材料的轴向热膨胀系数进行实验研究，通过实验测量验证了本文预报方法的可靠性，并且分析得出三维编织复合材料的轴向热膨胀系数与其编织工艺参数、编织结构和纱线粗细等结构参数之间的关系。针对三维多向编织复合材料轴向热膨胀系数的设计问题，利用遗传算法对该材料的纤维体积含量、编织角、编织结构和纱线粗细等结构参数进行优化设计，使得三维多向编织复合材料在满足一定轴向弹性模量下限要求的条件下，轴向的热膨胀系数为零。最后，研究适合三维多向编织复合材料结构特点的遗传算法编码方式，并在此基础上建立了基于MATLAB语言的三维多向编织复合材料轴向热膨胀系数的遗传算法优化程序。

目录

文摘

英文文摘

学位论文的主要创新点

第一章 绪论

1.1 三维编织复合材料国内外研究综述

1.1.1 三维编织复合材料细观结构研究

1.1.2 三维编织复合材料热膨胀性能研究现状

1.2 复合材料优化设计方法的研究进展

1.3 遗传算法的发展和现状

1.4 遗传算法应用于复合材料优化设计的研究进展

1.5 本课题的意义、目的和研究内容

1.5.1 本课题研究的意义

1.5.2 本课题的研究内容

第二章 三维编织预制件的细观结构

2.1 四步法三维编织简介

2.2 基本假设

2.3 三维六向编织预制件的细观结构模型

2.3.1 控制区域的选择

2.3.2 内部单胞模型

2.3.3 表面单胞模型

2.4 纤维体积含量计算

2.4.1 内部区域的纤维体积含量

2.4.2 各向纱线所占体积比

2.5 小结

第三章 三维编织复合材料热膨胀系数的解析预报

3.1 单向纤维增强材料的弹性性能

3.2 坐标转换

3.3 内部单胞的弹性常数

3.4 单向纤维增强材料的热膨胀系数

3.5 三维编织复合材料的热膨胀系数

3.6 三维编织复合材料热变形的本构关系

3.7 小结

第四章 三维编织复合材料热膨胀系数的实验研究

4.1 实验测试目的

4.2 实验测试方案

4.3 实验方法

4.3.1 测试原理

4.3.2 测试方法

4.4 试件制备

4.4.1 试件的外形尺寸

4.5 实验步骤

4.5.1 石英示差膨胀仪的效验

4.5.2 测试程序

4.5.3 测试结果的计算

4.6 实验结果与分析

4.7 热膨胀变形的热物理机制

4.8 热膨胀变形的热力学机制

4.9 零膨胀原理

4.10 数值结果与实验结果比较

4.11 热膨胀特性

4.12 小结

第五章 三维编织复合材料热膨胀系数优化设计

5.1 优化模型的建立

5.2 遗传算法的设计和实现

5.2.1 设计变量的编码和解码

5.2.2 适应度函数

5.2.3 进化过程

5.2.4 遗传算法的运行参数

5.3 遗传算法运行结果与分析

6.4 小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文

致谢