二维三轴编织复合材料的弹性性能分析

提出了二维三轴编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的弯曲扭转状态及空间交错特性等几何元素。基于体积平均法,建立了预测二维三轴编织复合材料弹性性能的理论分析模型;通过引入更普遍适用的周期性位移边界条件,结合二维三轴编织复合材料的细观实体结构,建立了分析其力学性能的有限元模型。两种模型预测结果均与试验结果吻合,证明了方法的合理有效性。分析了材料受载下的细观应力分布,并讨论了编织参数对材料性能的影响。研究表明,二维三轴编织复合材料轴向性能得到了增强,应力分布更均匀,编织角以及纤维体积含量对材料弹性性能影响较大。     

三维编织复合材料几何建模及数值分析

论文根据三维编织复合材料的结构特点,把整体结构分为内部单胞、表面单胞和角单胞三种类型的子单胞,考虑空间纤维束的相互扭结和挤压所造成的纤维束的弯曲和截面变形,针对每种类型的子单胞,建立了相应的几何分析模型.引入周期性位移边界条件,建立了材料的弹性性能预报模型,得到了三维编织复合材料的工程弹性常数.通过数值比较可以看出,论文所给出的数值计算结果与实验结果吻合较好,从而验证了本文模型的有效性.     

三维四向编织复合材料的拉伸尺寸效应研究

通过对三维四向碳/环氧编织复合材料的拉伸实验,观测了不同几何尺寸的试件的破坏模式和断口形貌,得到了材料在拉伸载荷下不同的破坏机理以及材料的力学性能与试件几何尺寸的相关性,研究表明材料随着内部单胞数量的增加材料的弹性模量递减,而剪切模量和泊松比递增的变化规律,通过体积平均法从理论上预报了材料的弹性性能,预报结果与实验结果相符,实验和理论所获结论为进一步进行材料的刚度和强度预报以及强度准则的建立奠定了必要的实验和理论基础.     

多向编织复合材料的力学性能研究

综述并评价了关于二维和三维编织复合材料的有效弹性模量研究的代表性工作,并从材料设计的思想出发,宏观与微观相结合,材料科学与力学相结合,对多向编织复合材料的宏观力学性能与细观织物结构、组分性能的关系及编织复合材料非线性行为进行了详细的理论分析和研究     

纺织结构复合材料力学性能的实验研究

本文通过实验测定了三维编织结构复合材料侧边未切割、受切割和中央钻孔试件的拉伸性能，对比了受切割和未切割纤维对于试件侧边拉伸应变的影响，并且讨论了拉伸失效的机理和原因．发现受切割和钻孔试件的拉伸性能低于未加工试件的性能，受切割侧边的拉伸应变高于未切割侧边的拉伸应变，三维编织结构复合材料的拉伸失效主要由纤维断裂引起的．文中还对三维编织结构复合材料的孔边应力集中现象进行了研究，并进行了深入分析，得到一个重要结论，即四步法复合材料的孔边应力集中系数比传统层板复合材料和金属材料的低．从这个意义上说，三维编织结构复合材料适合于作为含孔结构的连接件．     

树脂基三维编织复合材料粘弹性性能的有限元分析

根据材料的细观结构,采用APDL语言分别建立了纤维束和三维编织复合材料两级单胞的参数化几何模型;推导了Prony级数表示的树脂粘弹性本构方程,对模型进行了组分材料参数设置;对纤维束单胞模型进行扫掠式网格划分,对三维编织复合材料单胞模型进行线-面-体式网格划分;对两级单胞模型均施加合理的边界条件,使单胞边界上的位移满足周期性和连续性。以有限元模型为基础,计算了三维编织复合材料的粘弹性能,并给出了材料粘弹性效应随工艺参数变化的规律。计算结果表明:三维编织复合材料编织方向的粘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。该结果与已有实验结论一致。     

三维编织复合材料剪切性能分析

根据三维四向编织复合材料的结构特点，提出了刚度合成法预测编织复合材料剪切弹性模量，比较了整体编织试件和裁剪所得试件理论剪切性能差别，分析了三维编织T300／QY9512复合材料的剪切性能随试件沿宽度和厚度两个方向内部单胞数目的变化规律。结果表明，三维编织复合材料剪切弹性模量是与试件尺寸相关的，只有当试件尺寸较大、沿宽度和厚度两个方向内部单胞数目较多时，试件尺寸的影响可以忽略。当沿宽度方向单胞数目较大时，整体编织试件和裁剪所得试件的剪切模量相近。本文还得到了在复合材料板的纤维体积含量不变的情况下，剪切模量随编织角的变化规律。     

三维四向碳／环氧编织复合材料剪切力学性能实验研究

讨论了编织复合材料剪切力学性能研究的实验方法,研制并分析了用于剪切力学性能研究的夹具,通过实验得到了不同编织角的三维四向碳／环氧编织复合材料剪切弹性模量的实验数据     

随机孔隙缺陷对3D编织复合材料力学性能的影响研究

3D编织复合材料经RTM工艺成型将难以避免产生孔隙缺陷,孔隙缺陷主要包括纤维束内干斑和富树脂区孔隙。经分析RTM工艺孔隙缺陷的产生机理,提出了随机孔隙缺陷分布模型,建立了基于细观胞元的含孔隙缺陷有限元分析模型,并应用概率统计方法,分析了缺陷的随机分布和孔隙率对材料等效弹性性能的影响,可为3D编织复合材料力学性能的设计提供依据。     

弹塑性复合材料力学性能的细观研究

应用细观力学的Eshelby等效夹杂理论研究了复合材料的弹塑性问题。以铝基复合材料为例,建立了多轴载荷下复合材料弹塑性应力-应变关系,并且理论预报与实验结果符合较好,分析了夹杂形状、体积分数及加载路径对材料宏观性能的影响。同时,还研究了热塑性复合材料热膨胀系数与工艺温度之间的变化规律,分析了热残余应变对材料设计的影响。     

DETERMINATION OF INTERNAL STRAIN IN 3-D BRAIDED COMPOSITES USING OPTIC FIBER STRAIN SENSORS

A reliable understanding of the properties of 3-D braided composites is of primary importance for proper utilization of these materials. A new method is introduced to study the mechanical performance of braided composite materials using embedded optic fiber sensors. Experimental research is performed to devise a method of incorporating optic fibers into a 3-D braided composite structure. The efficacy of this new testing method is evaluated on two counts. First, the optical performance of optic fibers is studied before and after incorporated into 3-D braided composites, as well as after completion of the manufacturing process for 3-D braided composites, to validate the ability of the optic fiber to survive the manufacturing process. On the other hand, the influence of incorporated optic fiber on the original braided composite is also researched by tension and compression experiments. Second, two kinds of optic fiber sensors are co-embedded into 3-D braided composites to evaluate their respective ability     

三维五向编织复合材料渐进损伤分析及强度预测

基于材料连续体细观结构单胞,提出了材料的三维渐进损伤分析模型,采用非线性有限元方法并结合均匀化平均思想,首次建立了三维五向编织复合材料的强度预测模型。经研究典型编织角材料在拉伸载荷作用下细观损伤的发生及演化过程,分析了材料的细观失效机理,获得了材料的宏观拉伸应力应变曲线和极限破坏强度,并详细探讨了主要工艺参数编织角对材料宏观力学性能的影响规律。     

粘弹性树脂基三维编织复合材料的热膨胀性能研究

首先利用均匀化理论并结合有限元法研究了三维编织复合材料的粘弹性效应,根据松弛模量的计算结果研究了材料热膨胀系数随时间的变化关系,在此基础上,给出了编织结构和工艺参数(编织角、纤维体积比)对材料初始热膨胀系数的影响规律,计算结果与实验值吻合较好。本文工作为深入研究三维编织复合材料的热粘弹性能提供了基础。     

Theoretical prediction of stiffness and strength of three-dimensional and four-directional braided composites

Based on unit cell model, the 3D 4-directional braided composites can be simplified as unidirectional composites with different local axial coordinate system and the compliance matrix of unidirectional composites can be defined utilizing the bridge model. The total stiffness matrix of braided composites can be obtained by the volume average stiffness of unidirectional composites with different local axial coordinate system and the engineering elastic constants of braided composites were computed further. Based on the iso-strain assumption and the bridge model, the stress distribution of fiber bundle and matrix of different unidirectional composites can be determined and the tensile strength of 3D 4-directional braided composites was predicted by means of the Hoffman＇s failure criterion for the fiber bundle and Mises＇ failure criterion for the matrix.     

三维编织复合材料模量的双尺度有限元计算

针对三维编织复合材料的力学性能进行了双尺度有限元(TSA)数值计算,给出了计算模型和算法过程,并将数值结果与文献中的实验数据进行了比较,验证了算法的物理准确性。编织复合材料的力学性能不仅依赖于材料的基本组份,也与细观构造相关。双尺度有限元计算可以数值模拟出三维编织复合材料的整体力学性能,从而为材料的研发提供指导。本文的双尺度有限元三维数值计算方法可以推广到其他增强／孔隙等多相复合材料的数值模拟。     

多尺度有限差分方法求解波动方程

小波分析是多尺度分析方法，本文利用具有紧支集的正交小波变换对有限差分方程进行空间多尺度近似，提出适合于层状介质波传问题数值计算的多尺度有限差分方法，将波动方程的求解转换到小波域中进行。利用小波基的自适应性与消失矩特性，有效减少了计算量、提高了稳定性，扩大了可求解的速度范围。地球物理勘探中的数值实例显示了算法具有良好效率。     

弹性动力学的多变量响应问题的解法

基于瞬时混合变分原理与乘积型二元三次 B样条函数 ,以板壳为例 ,建立样条动力方程。引入样条参数及其对时间的导数作为状态变量 ,导出状态方程。对空间域采用混合样条元法 ,对时间域采用现代控制论中的状态空间法。文末数值算例表明 ,计算精度与效率是令人满意的。本文方法对计算多输入与多输出 ,时不变与时变系统和线性与非线性系统等多变量动力响应问题 ,有广阔的应用与发展前景