随机短纤维增强复合材料弹性性能数值模拟

能够准确地预测短纤维增强复合材料(SFRP)的等效弹性性能对于实际应用具有重要意义,为了获得SFRP的等效弹性性能,通常采用有限元的方法对SFRP的代表体积单元(RVE)进行均匀化。在本研究中,首先采用随机序列吸附算法数值生成了SFRP的RVE模型,为了实现单胞模型的自由网格划分,选择对单胞模型施加了一般性周期边界条件,得到了SFRP的RVE模型的等效弹性参数。探究了短纤维体积分数对SFRP的等效弹性模量的影响并与Halpin-Tsai方程计算的结果进行了验证,结果表明预测的杨氏模量的的误差很小。通过施加一般性周期性边界条件,可准确的预测出SFRP的等效弹性常数。     

高性能复合材料用机织2.5D织物的结构设计与织造工艺

设计加工了2种不同结构的机织2.5D织物,研究了机织2.5D织物的结构工艺参数设计、织物的微观结构、织物纤维体积含量计算和织造工艺。选择具有代表性的2种不同结构的机织2.5D织物进行了研究,随着高性能复合材料应用领域的扩展还需加强机织2.5D织物多种结构、多种高性能纤维增强的复合材料力学性能的测试研究。     

基于最小势能原理的2.5D机织物的结构模型

以纬纱为直线、经纱为曲线,建立了2.5D机织物几何结构模型。根据弯矩方程和J.W.S.Hearle原理得到经纱总势能与附加张力、未知的织物结构参数的关系式。当2.5D机织物的尺寸在附加张力作用下趋于稳定时,织物中的纱线系统应满足最小势能原理。根据最小势能原理,将确定经纱曲线方程中结构参数的问题转化为求泛函数极值的问题,利用织物结构的几何和力学特点,再把泛函数的极值问题转化为函数极值来处理,然后利用拉格朗日乘数法求解,得到包含2.5D机织物结构参数与力学指标的微分方程组及约束方程组,更为直接地表达结构参数与力学性能之间的关系,为计算机动态模拟织物的各项力学性能指标提供了一个更为可靠的依据。     

基于SLA打印的光敏树脂FCCZ单胞力学性能的研究

本研究基于型号为PRO-BLK 10的光敏树脂材料的立体光刻技术(SLA)打印成型的面心立杆立方(FCCZ)单胞的力学性能。通过材料准静态拉伸与压缩实验获得PRO-BLK 10材料的主要力学性能参数。通过FCCZ单胞准静态压缩实验，比较不同长径比(L/D)FCCZ单胞的破坏模式。基于实验结果计算并比较不同长径比FCCZ单胞的等效应力-应变关系、极限压缩强度和等效弹性模量。结果表明，SLA打印FCCZ单胞的最大等效应力随着长径比的增加而增加。基于对FCCZ单胞等效弹性模量和破坏模式的分析，将10种不同长径比的FCCZ单胞试样分为三组。相同破坏模式下FCCZ单胞的等效弹性模量近似等差数列式增加，不同破坏模式下其等效弹性模量具有显著的差异。     

2.5D机织复合材料结构与力学性能关系的研究

本文设计了3种典型2.5D机织物组织,制作了满足要求的试验件.对2.5D机织复合材料经、纬向的拉伸、压缩和层间剪切等性能进行了试验研究,获得了该种材料的主要力学性能参数.分析了这几种材料的结构与性能的关系,得到了一些有益的结论.结论表明,2.5D机织复合材料的拉伸、压缩、剪切强度基本取决于其纱线倾角和纤维体积含量;相同层数的2.5D机织复合材料的拉伸、压缩、剪切强度均表现为深交联>浅交直联>浅交弯联.     

三维编织预制件单胞模型的参数化

应用Pro/E的3D实体建模功能建立了三维整体编织预制件的单胞模型,包括内部单胞、表面单胞和棱角单胞。模型中真实反映了纤维尺寸和纱线走向。基于编织工艺参数间的关系,在Pro/E中实现了参数化设计,不同编织角下的各种单胞模型可自动生成。作为三维编织预制件中的周期排列微观结构,参数化单胞的建立为进一步研究三维整体编织复合材料的性能提供了便于应用的理论分析模型。     

纤维束及非弯折织物渗透率预测公式的研究

根据数值模拟结果,对Gebart公式进行了修正,研究了NCF单胞渗透率与结构参数的关系,得到了NCF单胞渗透率预测公式。对于纤维束,平行方向的数值结果及修正公式在较高孔隙率下比Gebart公式更接近于实验结果;对NCF单胞模型渗透率计算,与实验结果误差为5%;对5种纤维束孔隙率的NCF单胞分别进行正交试验,得到渗透率的数值结果,拟合出了预测公式;NCF渗透率预测公式结果与数值结果对四方和六方排列的平均误差为4.60%和4.57%,说明了预测公式的准确性。     

立体打印机织物基本组织

以3ds Max软件为平台,采用Peirce圆形理论模型,结合NURBS曲线建模方法,根据控制点坐标确定出机织物基本组织中的纱线轴线路径,通过对纱线截面"放样"、"复制"等操作,得到机织物平纹组织、1/3↗右斜纹组织的三维模型。以柔性聚乳酸耗材为打印材料,通过熔融层积成型(FDM)技术,在3D打印机中对建立的机织物基本组织模型进行立体打印,得到了立体打印的机织物组织。     

大尺寸2.5D中空织物织造技术的研究

大尺寸2.5D中空织物的织造技术是目前国内外人们正在研究、开发的新课题.本文从工艺试验、织造技术等方面进行介绍,也对其织造过程进行了描述.大尺寸2.5D中空织物的织造成功为制作新型复合材料打下了技术基础.     

针刺炭/炭复合材料多尺度单胞模型及等效弹性参数计算

基于针刺炭/炭复合材料的细观结构,建立了带有针刺区域的单胞模型,计算各组分材料的弹性力学参数,引入周期性边界条件,获得针刺单胞模型的应力应变。同时基于粘结域理论,使用Cohesive单元层替换针刺区域,建立可用于宏观力学分析的界面单元单胞模型,调整界面单元模型中模型参数,获得与针刺单胞模型最为接近的等效应力,实现界面单元单胞模型与含针刺区域单胞模型之间本构关系的等效。