三维编织复合材料细观结构平均刚度及其压缩性能的研究

摘要

该文以三维编织复合材料的细观结构,平均刚度及其压缩力学性能为主要研究对象.分析了三维四步编织过程中纱线的运动路径及交织方式,以三维实体纱线和单胞的几何模型为基础,对三维编织预制件的内部结构进行了细观结构分析并建立了相关结构参数的模型.对复合固化后的三维编织复合材料的内部单胞、表面单胞和角单胞进行了结构分析并建立了模型.采用局部剖切法建立了编织预制件和编织复合材料的模型,该模型能较好地表现内部结构的复杂性,可以较好地反映纱线的走向,单元体中的纱线计算长度可以较精确地算出.解决了表面单胞和角单胞中的纱线不能与内部单胞中纱线有效连接的问题;与预制件相比,复合材料内部的纱线结构发生了变化,这种变化也体现在纤维体积分数以及其它结构参数上.提出了不同的主体纱排数m和列数n组合的三维编织预制件可以作出不同的单胞体划分结构,建议通过作图法进行单胞分布的设计.推导出了纤维体积分数公式,提出了对编织复合材料工艺和结构参数进行优化设计的思路.在紧密结构状态下,1×1编织预型件正模型的纱线体积分数和45°模型的内部单胞的纱线体积分相同,但与表面单胞和角单胞的纱线体积分数不同.内部单胞的紧密度最大,角单胞的紧密度最小,表面单胞紧密度介于以上两值之间.在最大编织角γ=54.7°时,1×1四向编织预制件正单胞模型和45°模型内部单胞的最大纱线体积分数相等,都是:Vymax=67.96％.对45°模型,编织复合材料内部、表面和角单胞的纱线体积分数不同,分别为:Viymax=67.96％;Vsymax=58.23％;Vcymax=37.31％.内部、表面和角单胞区域的紧度呈逐渐递减的趋势.提出了经压模后编织复合材料中纱线编织角发生变化的概念,并将这一变化应用到了所建模型及刚度计算当中.另外还给出了编织预制件到编织复合材料变形前后单胞模型的单胞尺寸算式.运用所建立的代表性体积单元(RVE)模型对整体编织复合材料(四向)的平均刚度进行了预测.预测出的三维编织复合材料的有效弹性性能结果和实验结果吻合较好.将三维编织复合材料看成是由纤维束组成的倾斜纤维束空间结构,采用三单胞力学模型,用体积平均法和单胞刚度加权法,对编织复合材料整体弹性刚度进行的预测,结果能够较准确地预测出三维编织复合材料的弹性性能.另外,进行了拉伸和压缩性能试验,从拉伸和压缩试验结果来看,编织复合材料的弹性模量主要受编织角和纤维体积分数的影响.该文提出了差别纤维体积分数的假设,各个纤维束的纤维体积分数与单胞的纤维体积分数并不相等,需要分别进行计算,并分别给出了各纤维束的纤维体积分数计算式;还提出了三单胞弹性模量按比例叠加的思想,并给出了比例计算式,计算出了结果.结果与试验数据以及与其它文献数据吻合的较好.对三维编织复合材料压缩破坏进行了试验研究,从应力-应变响应图中观察到几个明显的缓冲区的存在,并认为这是由于内部交错单层板的逐

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主要符号说明

第一章综述

1.1三维编织复合材料的研究概况

1.2三维四步法1×1编织工艺及理论

1.3三维编织物几何结构的基本单胞

1.3.1正单胞模型

1.3.2 45°单胞模型

1.4三维编织物的几何结构特征

1.4.1纱线方向角γ、β和α之间存在固定的关系

1.4.2三维编织物的内部、侧表面和角柱的几何结构的特点

1.5本课题的研究意义和主要内容

第二章矩形截面三维编织予型件细观结构与工艺关系的研究

2.1三维编织预制件的制备

2.2基本假设

2.3三维编织预制件局部剖切模型的建立及基本结构关系分析

2.3.1局部剖切模型的建立

2.3.2基元、面元和角元及其关系的确定

2.3.3基元、面元和角元的表达式

2.3.4编织角与表面角之间关系的验证

2.4编织预制件平均纤维体积分数计算

2.4.1预制件纤维体积分数表达式

2.5单元体的划分及予型件外形尺寸

2.5.1预制件单元体的划分

2.5.2.三维编织预制件的外形尺寸

2.6小结

第三章三维编织复合材料的细观结构分析

3.1制备三维编织复合材料试件

3.2三维编织预制件固化中的变形

3.3基本假设

3.4三维编织复合材料的细观模型

3.5纱线填充系数的变化

3.6三维编织复合材料的局部剖切模型及纤维体积分数计算

3.7三维编织复合材料的结构与工艺设计

3.8小结

第四章三维编织复合材料平均刚度的数值预测

4.1基本假设

4.2复合纤维束的弹性性能

4.3四向三维编织复合材料的弹性常数

4.4对理论计算值的验证

4.4.1数值计算结果

4.4.2测试标准

4.4.3测试设备

4.4.4试片形状和尺寸

4.4.5测试技术要求

4.4.6实验结果

4.4.7数值结果和实验结果的比较

4.4.8材料的密度测试

4.5三维编织复合材料纤维体积分数的计算

4.6试验结果与分析

4.7小结

第五章三维编织复合材料压缩强度的初步研究

5.1编织复合材料的强度特征

5.2压缩强度试验

5.3单向复合纤维束基本压缩强度的确定

5.4三维编织复合材料的强度预测

5.5三维编织复合材料破坏模式与分析

5.6小结

第六章全文总结

参考文献

附录

作者简介及发表论文