三维四向编织复合材料的力学性能研究

【摘要】： 三维编织复合材料以其诸多的优良性能,被广泛地应用于航空、航天等高科技领域。三维编织复合材料力学性能的研究是一个十分重要的问题,直接关系到这种材料在工程中的应用。目前,对三维编织复合材料力学行为的研究还处于初级阶段,还有许多问题需要进一步研究。本文针对三维四向碳/环氧编织复合材料,从损伤机制、刚度预报和强度分析三个方面进行了实验、理论和数值分析。 第一章介绍了编织复合材料的发展过程,从实验表征、损伤检测、刚度预报和强度分析几个方面对三维编织复合材料力学性能的研究现状进行了综述,并阐述了本文的选题目的和意义。 第二章对三维四向碳/环氧编织复合材料的力学性能进行了实验研究。一方面,通过拉伸实验,得到了三维编织复合材料在拉伸载荷作用下的力学性能,包括刚度、强度和泊松比。同时,分析了其断口形貌和破坏模式。另一方面,用专门设计的压缩卡具进行压缩实验,得到了相应的力学性能参数,并分析了不同编织工艺参数下试件的断口形貌和破坏模式。 第三章用声发射无损检测技术对三维编织复合材料的损伤过程进行了分析。利用试件拉伸和压缩过程中采集到的声发射信号特征参数,采用多参数历程图分析法,并结合载荷-位移曲线,从宏观角度描述了三维编织复合材料拉伸和压缩的损伤发展过程,揭示了三维编织复合材料拉伸和压缩过程中的损伤发展和演化规律。通过对三维编织复合材料拉伸和压缩声发射信号的频谱分析,得出了不同类型损伤的频谱特性,在细观上研究了三维编织复合材料拉伸和压缩的损伤机理。 根据三维四向编织复合材料的结构特点,第四章提出了一种预报三维四向编织复合材料有效弹性模量的刚度体平均三胞模型。模型中把整体结构划分为内部单胞、表面单胞和角单胞三种类型的子单元。考虑空间纤维束的相互扭结和挤压而造成的纤维束的弯曲和截面变形,针对每种类型的子单元,建立了相应的几何分析模型。基于刚度体平均方法,建立了相应的刚度预报模型,得到了三维编织复合材料的有效弹性常数,预报结果和实验数据比较吻合。 第五章将有限元方法与细观力学理论相结合,根据复合材料的细观结构,建立起具有代表性的有限元单胞模型。这里考虑纤维束的弯曲,并假定纤维束界面形状为圆形,纤维束与基体的界面完全无摩擦连接。本章预报了三维四向碳/环氧编织复合材料的有效弹性模量,与实验结果比较,两者吻合较好。利用有限元方法计算了三维四向编织复合材料单胞内的应力场。通过考虑编织复合材料的不同破坏形式,对三维四向编织复合材料的拉伸强度进行了分析,并讨论了编织角度对该材料强度的影响。