三维全五向编织复合材料的特性及制备

三维编织复合材料是一种先进复合材料,在航空航天等尖端领域的应用越来越广泛。本文分析了传统三维编织复合材料的优势、用途及存在的缺陷和不足,并提出了改进该材料性能的可能途径,即发展一种新的三维全五向编织复合材料。针对三维全五向编织复合材料这种新型的编织形式,提出了几种可能的工艺实现途径,指出用四步法编织是对材料性能影响最小,最可能实现工业化生产的途径。最后,以三维全五向编织法兰为例,对其在制备过程中的材料选择、模具设计及固化工艺进行了详细的讨论。     

三维全五向编织预型件的概念

三维编织复合材料是新型的先进材料,在航空航天高技术领域具有特殊的优势并发挥的重要作用.分析了传统三维编织复合材料的优势和不足,指出了影响该材料大范围推广应用的障碍,特别针对现有三维五向编织复合材料力学性能上的缺陷进行了分析,从材料细观结构角度提出了改进途径,给出了三维全五向编织复合材料的概念,指出了今后该材料可发展的应用领域.     

三维全五向编织预型件的概念EI

三维编织复合材料是新型的先进材料,在航空航天高技术领域具有特殊的优势并发挥的重要作用.分析了传统三维编织复合材料的优势和不足,指出了影响该材料大范围推广应用的障碍,特别针对现有三维五向编织复合材料力学性能上的缺陷进行了分析,从材料细观结构角度提出了改进途径,给出了三维全五向编织复合材料的概念,指出了今后该材料可发展的应用领域.     

三维全五向编织复合材料的细观结构分析

针对三维全五向编织复合材料,研究了其四步法编织工艺的实现过程,并详细描述了编织复合材料各控制区域内纱线的空间走向及运动规律,在此基础上建立了能反映三维全五向编织复合材料基本结构的几何单胞模型。通过分析编织物内纱线间的空间挤压关系,设定合理的假设,计算了全五向编织复合材料的纤维体积含量,并分析了纤维体积含量与编织工艺参数之间的关系,为进一步研究该材料的力学性能奠定了基础。     

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。     

三维六向编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

基于三维六向编织复合材料的细观结构,假设第六向纱线的截面形状为菱形,建立了三维六向编织复合材料的渐进损伤有限元模型。采用Linde等提出的失效准则,引入周期性位移边界条件,对三维六向编织复合材料的纵向拉伸应力-应变行为进行了渐进损伤数值模拟,讨论了单胞模型在纵向拉伸载荷作用下的细观损伤起始、扩展和最终失效的演化过程,并预测了材料的拉伸强度。在此基础上,进一步研究了编织角、纤维体积分数和编织纱水平取向角等参数对材料纵向拉伸力学性能的影响规律。研究结果表明,三维六向编织复合材料的轴向纱线拉伸断裂是导致其破坏的最主要因素。所得数值结果与现有试验值吻合较好,验证了该模型的有效性,为更深入研究此类材料的力学性能奠定了基础。     

温度对三维五向编织/环氧树脂复合材料拉伸性能的影响

研究了三维五向编织/环氧树脂复合材料和树脂基层合复合材料在室温、80℃、150℃和180℃的拉伸性能,讨论了不同温度对三维五向编织复合材料和层合复合材料拉伸的影响规律。研究结果表明,三维五向编织复合材料在80℃、150℃时的拉伸强度与室温相近,而在180℃时,比室温时的拉伸强度下降了15.37%;层合复合材料在80℃、150℃和180℃时的拉伸强度则比室温分别下降了3.45%、13.3%和34.42%。造成层合复合材料高温拉伸强度下降较大的原因是:在高温时,由于树脂被破坏,使层合复合材料发生了分层。说明相同树脂基体的复合材料,增强体结构对复合材料在高温时的拉伸性能有着重要的影响。     

三维五向编织复合材料渐进损伤分析的数值方法

基于连续损伤理论, 推导了含损伤裂纹的正交各向异性材料的应力-应变关系。建立了考虑界面脱粘破坏的三维五向编织复合材料细观体胞模型, 并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程。采用Hashin准则和von-Mises准则分别判断纱线与基体的初始损伤, 结合Eshelby-Mori-Tanaka方法确定材料的刚度退化系数。利用ANSYS有限元软件对材料进行渐进损伤分析, 得到了材料在单向拉伸作用下的应力-应变曲线和极限强度。计算结果表明, 轴纱为材料的主要承力部分, 小编织角材料的破坏模式主要为纱线的拉伸断裂, 界面破坏情况较为严重。模拟计算结果与实验结果吻合较好。     

三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

采用考虑纤维束相互挤压的纤维束截面八边形单胞模型, 引入周期性边界条件, 对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟, 并预测了材料的拉伸强度。通过在应变能密度函数中引入损伤状态变量, 建立了含损伤材料的刚度矩阵, 运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤, 通过数值结果与试验结果的对比, 分析了Hashin和Tsai-Wu两种准则作为判定纤维束起始损伤的适用性。分析表明: 基于引入不同失效模式的Tsai-Wu准则的数值模拟和试验结果吻合良好; Hashin准则不适合作为编织纤维束的损伤判据; 不同编织角材料的失效机制不同。      

三维编织复合材料预制体孔隙的几何仿真

根据四步编织法的纱线运动规律及实验观察,结合纱线截面的挤压变形,提出了用数值元分离连续纱线确定其空间形态的方法.借助VC 及SolidWorks软件的参数化图形建模特点,建立了能模拟各种编织参数预制体孔隙实体,计算孔隙体积及其表面积的软件系统.对编织角为25°和35°,主体纱数为2×4和3×3,纤维体积分数为30%和40%的预制体孔隙进行了模拟和计算.结果表明,在其它参数不变的情况下,随着编织角或纤维体积分数的增大,纱线间孔隙的总体积和表面积减小,单位体积表面积增加;预制体孔隙模拟值与体积理论值的相对误差低于5%.孔隙模拟实体清晰地反映了一个组织循环内孔隙的分布和形状随参数变化而改变的形貌.     

三维四向编织复合材料的黏弹性能

基于均匀化理论建立了预测具有微观周期性结构复合材料黏弹性能的力学模型。利用此模型并结合有限元法分别研究了纤维束和三维编织复合材料的黏弹性能。通过对计算结果的分析, 给出了三维编织复合材料黏弹性能随工艺参数变化的规律。结果表明, 三维编织复合材料编织方向的黏弹性效应随编织角的增大而增强, 随纤维体积比的增大而减弱, 此规律与实验结论一致。     

缝合连接三维编织复合材料拉伸性能试验研究

研究了多种缝合方向、 搭接长度和缝合密度对缝合连接三维编织复合材料拉伸性能的影响 , 并与三维整体编织复合材料的拉伸性能进行对比。结果表明: 缝合连接三维编织复合材料与三维整体编织复合材料相比 ,拉伸强度下降了 25 %～50 % , 初始模量下降了 35 %～55 %; 搭接长度对拉伸强度和模量的影响较大 , 拉伸性能随搭接长度的增加呈现先增大后减小的特征 , 当搭接长度与试件宽度的比值在 2. 5 左右时 , 试件的拉伸性能较好 ,与未缝合的三维整体编织试件相比 , 仅下降了 25 %; 相对而言 , 中密度缝合试件的拉伸性能最优 ; 缝合方向对试件拉伸性能的影响不明显。      

三维六向编织复合材料单剪搭接连接结构在拉伸载荷下的力学性能

通过试验测试与数值模拟相结合的方法对三维六向编织复合材料的螺栓连接性能进行了研究。首先,通过拉伸试验对不同侧向约束螺接方式连接件的连接强度进行了测试。测试结果表明:单搭连接结构的二次弯曲现象明显,连接强度与侧向约束有一定的关系,使用垫片可有效提高连接强度,螺栓拧紧力矩增加对连接强度影响不大;连接结构的破坏模式包括挤压破坏和拉伸破坏,在孔径较小时其主导破坏模式是挤压破坏。随后,基于测试中发现的破坏模式,建立了基于点应力准则的分析模型,并使用升温法实现螺栓拧紧力矩的施加。通过数值结果与试验结果的比较验证了分析模型的可靠性。最后,利用得到验证的分析模型,分析了单搭连接的二次弯曲现象,获得了侧向约束面积、螺栓拧紧力矩及连接平板厚度对单搭单螺栓连接结构力学性能的影响规律。分析结果表明:当侧向约束应力增加时,连接强度表现为先增加后降低的规律。     

三维编织复合材料悬臂梁的振动特性

基于三维四向和五向编织复合材料的细观结构和单胞模型, 对三维四步法矩形截面编织复合材料悬臂梁的振动阻尼性能进行了理论分析, 研究了编织角、 纤维体积分数等工艺参数对材料振动阻尼特性的影响, 并与实验结果进行了对比。对三细胞模型进行了改进, 采用混合律得到了材料的总体刚度, 进而得到一阶固有频率。此外, 还分别计算了一个周期内不同走向纱线和基体振动消耗的能量, 以及总振动能量, 得到了材料的损耗因子。结果表明, 对于三维四向和五向编织复合材料, 一阶固有频率随编织角的增加而减小, 随纤维体积分数的增加而增大; 而损耗因子随编织角的增加而增大, 随纤维体积分数的增加而减小, 并表现出明显的非线性变化规律。