三维六向编织复合材料弹性性能理论预测

在三维六向编织物纱线运动规律的基础上, 建立了单胞模型, 推导了编织参数之间的数学关系。基于该模型, 采用改进的刚度平均化方法, 导出了三维六向编织复合材料的工程弹性常数, 分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响。结果表明, 三维六向编织复合材料具有良好的力学性能, 由于面内纬纱的加入, 使面内的力学性能得到了提高。      

三维多向编织复合材料宏细观力学性能有限元分析研究进展

三维多向编织复合材料综合力学性能优异,有望在航空航天领域作为主承力结构而得到广泛应用。有限元分析(FEA)方法是三维多向编织复合材料宏细观力学性能研究最为经济和有效的分析手段。从细观结构模型、刚度强度性能预测及界面性能分析等方面评述了细观有限元法的研究进展;从接头结构承载性能分析和冲击性能模拟等方面介绍了宏观有限元法的研究概况;分析了目前研究中存在的主要问题并对后续的研究工作进行了展望,为研究者了解该领域的研究现状和发展趋势提供了有价值的参考。     

考虑纤维束间粘接层的三维四向编织复合材料弹性性能数值预测

考虑了相邻纤维束之间的界面粘接效应, 建立了考虑纤维束间粘接层的三维四向编织复合材料单胞有限元模型, 较为真实地模拟了该材料的细观结构, 讨论了相应的边界条件和约束条件, 并采用有限元方法计算了该材料的等效弹性性能参数, 计算结果与实验值符合较好。研究了等效弹性性能参数随不同编织角及体积分数的变化关系, 得到了体胞的细观应力场, 为强度分析提供数据。      

工艺及编织参数对三维编织复合材料性能的影响

利用真空浸渍法和RTM工艺分别制备了不同的三维编程碳／环氧复合材料，研究了工艺条件和编织参数对复合材料力学性能的影响，分析了其不同的失效方式，并利用扫描电镜观察分析了弯曲断口。     

三维五向编织复合材料的力学性能分析Ⅱ: 细观应力数值模拟

在实验观察的基础上, 考虑轴纱的挤压变形及纱线填充因子变化, 修正了现有的细观结构模型, 建立了更加真实反映三维五向编织复合材料内部编织结构的单胞模型。利用该模型采用3D 有限元法计算了材料的轴向弹性模量, 数值预测与实验数据吻合较好。分析了单胞在拉伸载荷作用下的细观应力分布, 为材料进一步的强度预测奠定了基础。      

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。     

三维全五向编织复合材料弹性性能及热物理性能的有限元分析

在三维全五向(Q5D)编织复合材料细观结构模型的基础上,建立了其单胞参数化有限元模型.通过施加合理的边界条件,计算得到了Q5D编织复合材料的弹性常数、热传导系数和热膨胀系数,所得结果与现有的实验数据吻合较好.在此基础上,深入研究了纤维体积分数、编织角等工艺参数对材料弹性性能和热物理性能的影响规律,并将计算结果与三维四向(4D)和三维五向(5D)编织复合材料的相应结果进行了对比.结果表明,Q5D编织复合材料具有较好的力学性能和纵向导热性能,其零膨胀结构的可设计性更强,为进一步研究此种结构材料的强度问题和热力耦合问题奠定了基础.     

三维四向编织复合材料弹性性能的理论预测

在对三维四步(1×1)编织物结构分析的基础上,进一步完善了基元、面元和角元的三细胞模型,使修正后的模型实现了空间上的几何连续性,较为真实地模拟了编织预制件的纤维走向。然后,基于修正后的三细胞模型并采用刚度平均法预测了三维编织复合材料的弹性性能,通过与现有实验结果的比较,验证了该模型的适用性。      

四步法三维矩形编织复合材料的细观结构模型

基于现有实验研究和编织工艺中携纱器的运动规律, 重点分析了材料内部区域纤维束的空间构型, 建立了材料的三维实体细观结构模型。该模型不仅体现了内部纱线因打紧工序而形成的紧密接触和截面变形, 而且考虑了内部和表面区域纱线因挤紧状态不同所造成的纱线填充因子变化。基于一种单胞取向平行于材料横截面边界方向的新划分方案, 解决了45°单胞划分方案的不足, 建立了便于力学性能分析的单胞几何模型, 并指出了编织工艺参数和模型宏细观结构参数的关系。模型数值结果与试件实测数据吻合, 表明了该模型的合理有效性,为材料后续力学性能分析奠定了基础。      

三维编织复合材料弹性性能的表面胞体效应

在作者已有的内胞模型基础上, 结合陈利等的面胞纱线走向及Chou 等对表面纤维束截面形状的描述,建立了由面胞和内胞组合的有限元分析模型, 比较真实地模拟了三维四向编织复合材料的真实结构。通过有限元计算预测了其弹性性能, 并同实验结果进行了比较, 分析讨论了三维四向编织复合材料的面胞对整体弹性性能的影响。研究结果证明了面胞在三维四向编织复合材料弹性性能有限元预测中的重要性。      

热固性复合材料固化过程中温度场的三维有限元分析

根据热传导和固化动力学理论, 采用三维有限元方法, 对正交各向异性复合材料层合板固化过程的温度和固化度历程及其变化规律进行数值模拟研究。在有限元分析中节点自由度为温度和固化度, 考虑了两者之间的耦合作用。计算结果表明: 厚度越大, 温度峰值越高, 中心点开始固化越晚; 不同纤维体积含量层合板在固化初期是同步的; 中心点温度超过保温平台(85 ℃) 后, 随着环境温度继续升高, 纤维体积含量越低, 中心点温度峰值越大, 出现时间越早。      

一种改进的三维四向编织复合材料单胞模型及宏观弹性常数预测方法

提出了一种考虑打紧工艺导致纤维束截面形状沿其轨迹方向连续变化的三维四向编织复合材料改进单胞模型,并用于宏观弹性常数预测方法。首先,基于编织工艺过程分析,确定了单胞内部的纤维束布局形式;然后,从几何上推导了纤维束受挤压部位的位置坐标,并假设纤维束在受挤压前截面为圆形,受挤压部位发生圆形到椭圆的过渡变化,导致纤维轨迹产生弯曲,建立了纤维束截面为圆形和椭圆连续变化的改进单胞模型。通过该模型推导单胞编织参数和几何尺寸的数学关系,由此得出的几何特征数据与试件实测数据较为吻合,花节长度的预测值相对误差小于4%,相比于不考虑纤维束挤压变形的单胞模型更接近实际情况。最后,基于该改进的单胞模型,预测了三维四向编织复合材料的宏观弹性常数,并进一步研究了编织角和纤维体积分数对弹性常数的影响规律。     

颗粒和纤维混杂增强复合材料力学性能的三维有限元模拟

为了研究原位合成TiB 纤维和TiC 颗粒混杂增强的钛基复合材料的力学性能与微观结构的关系, 根据其微观结构特点, 并基于随机序列吸附(RSA : Random Sequential Adsorption) 方法, 提出了短纤维和颗粒混杂增强的三维有限元模型。该模型可以生成位置及取向随机分布的多纤维多颗粒的代表体积单元, 同时纤维的长径比、取向分布规律可以任意调整, 适合各种不同的混杂增强复合材料微观结构的模拟。对比实验测试结果, 证明该模型对混杂增强的复合材料的模拟较为精确。模拟结果显示: 在纤维状增强体中, 平行于加载方向的增强体承载了最大的应力, 而与加载方向约呈45°角的增强体承受的应力最小; 颗粒状增强体承受的应力相比平行于加载方向的纤维状增强体要小很多; 基体中应力在加载方向上靠很近的增强体之间较高。      

Nonintrusive coupling of 3D and 2D laminated composite models based on finite element 3D recovery

In order to simulate the mechanical behavior of large structures assembled from thin composite panels, we propose a coupling technique, which substitutes local 3D models for the global plate model in the critical zones where plate modeling is inadequate. The transition from 3D to 2D is based on stress and displacement distributions associated with Saint‐Venant problems, which are precalculated automatically for a simple 3D cell. The hybrid plate/3D model is obtained after convergence of a series of iterations between a global plate model of the structure and localized 3D models of the critical zones. This technique is nonintrusive because the global calculations can be carried out using commercial software. Evaluation tests show that convergence is fast and that the resulting hybrid model is very close to a full 3D model. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

三维四向编织复合材料界面损伤机理数值分析

考虑界面脱粘表面压应力下摩擦力对材料界面力学性能的影响,建立损伤-摩擦相结合的界面本构模型,编写用户材料子程序VUMAT,实现其在有限元软件ABAQUS中的嵌入。基于周期性胞元分析思想,在单胞模型中纤维束/基体、纤维束/纤维束分界面引入界面单元,结合损伤-摩擦相结合的界面本构模型,建立含界面相三维四向编织复合材料的细观有限元模型。模拟典型载荷下界面损伤的起始和扩展过程,分析界面应力传递和界面破坏机理,研究界面性能对复合材料宏细观力学性能的影响规律,为实现三维四向编织复合材料界面性能优化设计和控制提供参考。      

三维四向复合材料微观模型的研究现状及展望

三雏四向复合材料是一种新结构形式的复合材料,具有优良的力学性能、抗冲击损伤性能及耐烧蚀性能,受到各国学者的重视.在讨论目前较为成功的"米"字型、"六面体截面"交织型、"双扭线"型等单胞微观模型的基础上,提出了"贝塞尔"单胞模型.该模型较好地模拟了三维四向复合材料纤维的走向与微观结构,为下一步深入研究打下了基础.     

A new solution for 3D crack extension based on linear elastic stress fields

A solution to the 3D stress field based on the maximum tangential stress (MTS) criterion is presented in this paper. The solution allows for the estimation of the critical crack plane, the direction of growth in terms of both twist and tilt angles and the equivalent crack driving force for a given mixed-mode loading condition. It also shows the graphical relationship between the three different stress intensities for a given driving force. Initial results have shown good correlation with experimental data obtained from literature.