二步法方型三维编织复合材料细观结构及其有效弹性性能预测

摘要

该文全面系统地研究了二步法方型三维编织复合材料的细观结构,并采用细观力学分析方法对其有效弹性性能进行了分析预测.二步法三维编织复合材料的组分材料和增强体的细观结构对其宏观力学性能起着重要的作用.该文对其细观结构作了准确的单胞划分,定义了三种细观结构的单胞模型.即大单胞模型,亚单胞模型和子单胞模型.基于子单胞模型,通过计算轴纱内纱线填充因子,考虑了轴纱受编织纱挤压产生的变形,进而,建立了复合材料编织结构参数之间的关系,准确地计算了复合材料的纤维体积含量.同时,给出了二步法三维编织工艺的设计步骤,并由纱线挤紧状态确定出编织工艺的设计范围.该文基于内部子单胞模型,提出了类似层合板结构的单胞力学模型,应用经典层合板理论实现由纤维和基体的性能、单胞力学模型的几何参数以及单层板的纤维体积含量分析并计算了二步法方型三维编织复合材料的有效弹性性能.该文基于大单胞模型,提出了对二步法方型三维编织复合材料进行细观结构离散的思想,并建立有限元分析模型.其中,轴纱、编织纱和基体均被视为两端铰接的空间杆单元,复合材料用离散的杆单元组成的桁架结构代替.利用有限元分析软件包MARC实现单轴拉伸静载实验的模拟,分析了二步法三维编织复合材料的弹性性能,同时,预测了轴向拉伸模量随轴纱与编织纱线密度之比和节距长度变化的趋势.该文设计并完成了单轴拉伸性能实验,在获得二步法三维编织复合材料宏观拉伸模量和泊松比的同时,对两种理论分析模型的预测结果进行了验证.预测结果与实验结果的比较显示了细观力学的两种分析模型都可以较为有效地分析二步法三维编织复合材料的力学性能.

目录

文摘

英文文摘

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第一章综述

1.1二步法三维编织简介

1.2文献综述

1.2.1三维编织设备与工艺的研究

1.2.2三维编织复合材料力学性能的研究

1.2.3二步法三维编织复合材料的研究成果

1.3目前存在的问题

1.4本课题的创新点和主要研究内容

第二章二步法方型三维编织复合材料的细观结构

2.1细观结构观测分析结果

2.2基本假设

2.3二步法方型三维编织复合材料的细观模型

2.3.1复合材料的大单胞模型

2.3.2复合材料的亚单胞模型

2.3.3内部编织角与表面编织角

2.3.4平均内部编织角

2.3.5复合材料内部子单胞模型

2.3.6复合材料边上和角上子单胞模型

2.4复合材料的纤维体积含量

2.4.1轴纱的纱线填充因子

2.4.2子单胞的纤维体积含量

2.4.3总体的纤维体积含量

2.5复合材料的外形尺寸

2.6复合材料预制件的编织工艺设计

2.6.1预制件的挤紧状态

2.6.2编织工艺设计窗口

2.6.3编织工艺设计步骤

2.7小结

第三章层合板理论预报二步法三维编织复合材料有效弹性常数

3.1建立单胞力学模型

3.2单胞力学模型的层合板结构

3.3限制条件

3.4单层板的厚度与纤维体积含量

3.5单向纤维复合材料的弹性性能

3.6单层板的弹性特性

3.6.1轴向单层板的刚度矩阵

3.6.2倾斜单层板的刚度矩阵

3.7层合板单胞力学模型的刚度矩阵

3.8复合材料的有效工程弹性常数

3.9小结

第四章二步法方型三维编织复合材料轴向拉伸性能的有限元法

4.1有限元法分析与计算的基本原理

4.2二步法方型三维编织复合材料大单胞有限元模型

4.3有限元位移法的分析计算步骤

4.4小结

第五章MARC有限元软件分析复合材料轴向拉伸性能

5.1 MARC有限元分析软件功能简介

5.2复合材料有限元模型轴向拉伸性能分析的实现

5.2.1复合材料轴向拉伸试样的几何建模

5.2.2工况与边界条件的施加

5.2.3单元材料特性的定义与施加

5.2.4单元几何特性的定义与施加

5.2.5定义作业参数并提交运行

5.3后处理与结果分析

5.4小结

第六章二步法方型三维编织复合材料轴向拉伸性能测试与分析

6.1测试方案

6.2测试标准

6.3测试设备与仪器

6.4试样准备

6.4.1试样的制备

6.4.2试样形状与规格

6.5测试方法

6.6测试结果的数据处理与分析

6.6.1应力—应变曲线

6.6.2轴向弹性模量和宽度方向泊松比

6.6.3拉伸破坏形态

6.7预报结果与测试结果比较

6.7.1层合板理论预报结果与测试结果比较

6.7.2有限元法预报结果与测试结果比较

6.8误差原因分析

6.9编织工艺参数的优选

6.9.1λa/λb对Ex的影响及其最优值的预报

6.9.2 节距长度对Ex的影响

6.10小结

第七章结束语

致谢

参考文献

附录：作者简介及发表的论文