三维编织复合材料的微结构与力学性能研究进展

综述了国内外近年来对三维编织复合材料细观结构力学模型和力学性能的研究进展.细观结构力学模型研究主要是通过分析三维编织体的拓扑结构建立力学分析模型,主要有"米"字枝状模型、纤维倾斜模型和三细胞模型.对力学性能的研究包括刚度性能和强度性能研究,刚度性能的预测分析方法有解析法、基于均匀化理论的方法和有限元数值仿真;而强度性能的预测大多采用有限元方法来进行.最后,总结了目前研究中存在的问题并对以后的工作进行了展望.     

三维编织复合材料力学性能的实验研究

对四步法三维编织复合材料的拉伸、压缩和弯曲等性能进行了实验研究，得到了该材料的主要力学性能参数及破坏规律。实验结果表明：三维编织复合材料具有良好的力学性能，而编织工艺和编织结构对复合材料的性能有较大的影响，这些结果为进一步研究复合材料的强度反作用失效问题奠定了实验基础。     

基于面-内胞模型的三维四向编织复合材料渐进损伤数值模拟

为了准确预测三维四向编织复合材料的纵向拉伸力学性能,对编织复合材料的面胞和内胞细观实体模型进行参数化建模,面胞模型考虑了纱线空间轨迹的偏移和横截面的挤压变形.用体素网格离散模型并施加合适的边界条件,将各组分材料的损伤模型编入到有限元分析软件ABAQUS用户定义材料子程序UMAT中.分别对内编织角为30°和45°的三维四...     

2.5维编织复合材料力学性能的有限元分析

在已有研究的基础上,提出了一个新的2.5维编织复合材料有限元模型,该模型较为真实地模拟了织物内纤维束的轮廓结构和走向,可用于2.5维编织复合材料力学性能的有限元数值分析.利用该模型采用有限元法对2.5维编织复合材料进行了有效弹性性能的数值预报,并合理确定了复合材料内部应力场分布;同时提出经向纤维束横截面宽厚比是影响2.5维编织复合材料有效弹性性能的主要因素,分析了其影响情况.采用VARTM工艺制备了试验件,并对其进行力学性能测试.通过实验值和理论值的对比,结果表明:有限元计算得到的结果与实验值吻合较好,从而验证了该模型的有效性.     

三维编织复合材料RTM工艺和力学性能

以气瓶、真空泵、热电烘箱组装了ＲＴＭ工艺装置，探索了三维编织碳／环氧６４８、碳／双马ＱＹ８９１１－ＩＶ成型的最佳温度、时间、压力等工艺参数，并用Ｘ射线对部分试质量谰定，研究了纺织工艺参数对力学性能的影响，结果发现随着编织角的增大，拉压模量和强度降低；编织角，尤其横向编织角影响泊松比；轴向纱能增加弹性模量和强度性能，减小泊松比。     

三维编织CF/KF混杂复合材料力学性能研究

考察了三维编织碳纤维/芳纶纤维混杂增强铸型尼龙(简称HF/MCPA)复合材料的力学性能,着重分析了复合材料的冲击、剪切和弯曲性能。试验结果表明:碳纤维和芳纶纤维混杂复合材料不仅有较好的弯曲强度、剪切强度,同时冲击强度也很好。随着碳纤维体积分数的增加,混杂复合材料的冲击强度降低;横向剪切强度先增大后降低;纵向剪切强度逐渐增大,出现最大值;弯曲强度和模量随之提高,达到最大值后开始下降,最大值时CF∶KF为3∶2。     

三维六向编织复合材料力学性能的实验研究

通过拉伸 ( 含开孔拉伸 ) 、压缩 ( 含开孔压缩 ) 、面内剪切及冲击后压缩实验,获得了三维六向编织复合材料的主要力学性能参数。基于宏观实验,探讨了材料在拉伸、压缩及剪切载荷作用下的破坏模式和失效机理,分析了开孔类型 ( 机械孔、编织孔 ) 对材料拉、压性能的影响并研究了冲击对材料压缩性能的影响。所获结果为进一步研究三维六向编织复合材料的刚度、强度预报奠定了基础。     

2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测

石英纤维增强树脂复合材料常用于多物理场耦合环境下,为保证足够的层间性能,常采用2.5D机织的结构形式。本文对一种浅交弯联2.5D机织石英纤维增强双马树脂复合材料的三维力学性能进行全面测试,对比分析了材料在不同方向的拉伸性能和压缩性能,以及面内、面外剪切性能。测试结果表明,该复合材料的纬向拉伸、压缩模量略高于经向,而拉伸、压缩强度远高于经向,导致经向和纬向拉、压破坏模式差异显著,拉伸时弯曲的经向纤维被拉断,平直的纬向纤维劈裂,压缩时平直的纬向纤维压断,弯曲的经向纤维屈曲。同时,该种材料具有较高的面内、面外剪切变形能力。此外,本文基于混合定律,提出了一个2.5D机织复合材料经、纬向模量估算公式。基于材料微观结构特征,以包含经纱和纬纱的一个单胞作为代表性体积单元,建立有限元模型,预测该2.5D机织复合材料经向模量,预测结果与试验结果吻合很好。本文的研究对2.5D机织石英纤维/双马树脂复合材料的研发具有一定的指导意义。      

编织复合材料的一种数值模型

提出编织复合材料的一种均匀化的数值模型,为工程应用提供了简便而有较高精度的数值计算方法.首先,对于编织复合材料的代表性单胞建立了精细有限元的胞元模型;其次,将单胞有限元分析结果引入基于三类变量广义变分原理的三维体罚单元,从而将一类有细观编织结构的复合材料等效为可用于宏观尺度计算的复合材料单元.通过数值算例将此方法的计算结果与实验和其他数值计算结果进行了比较,验证了该方法的有效性与实用性.     

三维四向编织复合材料压缩力学性能实验研究

通过对三维四向编织复合材料薄板试件的宏观压缩实验,研究了三维四向编织复合材料的抗压力学性能.实验结果表明:材料的编织角对其压缩力学性能的影响很大,随编织角的变化,编织复合材料的压缩破坏机制发生了变化.编织角度较小时,材料表现为脆性特征;当编织角度大于某个临界角度时,材料的应力-应变曲线趋于非线性,更多地表现为塑性破坏.     

三维四向编织复合材料弯曲性能的实验研究

分别对编织角度为30和45度的三维四向碳环氧编织复合材料进行了不同厚度试件的弯曲实验,验证了材料的破坏模式、本构关系与试件几何尺寸的相关性.研究表明:弯曲破坏无明显的破坏裂纹,当载荷增加到了极限载荷,载荷不再增加而位移依然逐渐变大.当进行卸载时,大部分的弹性变形都可以得到恢复,仅剩余很小的塑性变形.另外改变试件的厚度对材料的载荷位移关系没有影响.     

三维编织复合材料的力学性能研究现状

对近年来关于三维编织复合材料力学性能的研究方法和内容进行了综述.归纳出三类主要研究方法:实验研究、细观结构力学模型研究、数值仿真研究.实验研究集中于测试各种编织参数和载荷对其力学性能指标的影响.细观结构力学模型研究主要是通过三维编织体的拓扑结构建立力学分析模型,主要是"米"字枝状模型、纤维倾斜模型和3细胞模型.数值仿真研究是基于材料的线弹性力学,利用有限元分析法对其力学性能进行数值仿真.本工作对当前研究的关键问题进行了分析,就今后的研究工作发表了一些看法.     

三维编织复合材料力学行为研究进展

随着三维编织复合材料力学行为研究工作的开展,这种材料在很多领域得到越来越广泛的应用。本文从细观结构几何模型、力学行为的理论研究、实验研究三个方面综述了三维编织复合材料力学行为的研究现状,并提出了当前工作存在的问题,对今后研究的趋势进行了展望。     

三维编织碳复合材料的制备及其力学性能研究

采用真空辅助RTM工艺制备了三维编织碳纤维增强环氧树脂(C3D/EP)复合材料,通过对树脂的粘度特性和固化特性的分析,确定了最佳的工艺参数.金相显微镜对复合材料微观结构的观察表明树脂对纤维的浸润良好.同时,还研究了该工艺制备的C3D/EP复合材料的力学性能,结果表明随着纤维体积比的增加,复合材料的硬度、弯曲强度和冲击强度均提高,断口的扫描电镜观察表明复合材料的破坏方式是以脆性断裂为主.     

Finite Element Analysis of Mechanical Properties of 3D Four-Directional Rectangular Braided Composites Part 1: Microgeometry and 3D Finite Element Model

Based on the microstructure of three-dimensional (3D) four-directional rectangular braided composites, a new parameterized 3D finite element model (FEM) is established. This model precisely simulates the spatial configuration of the braiding yarns and considers the cross-section deformation as well as the surface contact due to the mutual squeezing in the braiding process. Moreover, it is oriented in the same reference frame as the composites, which coincides with the actual configuration of 3D braided composites and facilitates the analysis of mechanical properties. In addition, the model investigates the relationships among the structural parameters, particularly the braiding angle and the interior braiding angle, which were not taken into account in the previous models. Based on the parameterized FEM, the structural geometry of the composites is analyzed and some conclusions are drawn herein. Good agreement has been obtained between the calculated and measured values of the geometric characteristics of braided composite samples.     

Microstructural Modeling and Second-Order Two-Scale Computation for Mechanical Properties of 3D 4-Directional Braided Composites

This study is concerned with the microstructural modeling and mechanical properties computation of three-dimensional (3D) 4-directional braided composites. Microstructure of the braided composite determines its mechanical properties and a precise geometry modeling of the composite is essential to predict the material properties. On the basis of microscopic observation, a new parameterized microstructural unit cell model is established in this paper. And this model truly simulates the microstructure of the braided composites. Furthermore, the mathematical relationships among the structural parameters, including the braiding angle, fiber volume fraction and braiding bitch, are derived. By using the unit cell model, the second-order two-scale (SOTS) method is applied to predict the mechanical properties of 3D 4-directional braided composites, including stiffness parameters and strength parameters. Besides, the effects of the braiding angle and fiber volume fraction on the elastic constants are investigated in detail. Numerical results show that the predictive stiffness and strength parameters are in good agreement with the available experimental data, which demonstrate that the established unit cell model is applicable and the second-order two-scale method is valid to predict the mechanical properties of 3D 4-directional braided composites.