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《南京航空航天大学》 2010年
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三维四向编织复合材料热膨胀性能的研究和优化设计

胡振坤  
【摘要】:三维四向编织复合材料是一种结构和性能可设计的材料。编织参数对三维四向编织复合材料的热膨胀性能的影响较大。本文对此展开研究,具体工作如下: (1)三维四向编织复合材料的热膨胀性能理论研究。介绍了各种纤维增强复合材料等效热膨胀系数的理论计算方法;综合运用纤维束圆柱模型和刚度平均化方法,分别求出了纤维束和三维四向编织复合材料单胞模型的弹性性能;在得出弹性性能的基础上,运用Rosen-Hashin方法计算了纤维束的热膨胀性能,运用体积平均化方法对三维四向编织复合材料单胞的热膨胀系数进行了理论预测。 (2)三维四向编织复合材料热膨胀性能数值模拟。建立三维四向编织复合材料对角单胞模型和纤维倾斜单胞模型的代表体积单元(RVE)有限元模型;研究了位移周期性边界条件在有限元软件中的实现方法;用有限元方法计算出了两种单胞的等效热膨胀系数;将有限元计算结果与文献试验结果进行对比,表明纤维倾斜模型和位移周期性边界条件更适合于三维四向编织复合材料热膨胀系数计算。 (3)三维四向编织复合材料热膨胀性能研究和零热膨胀优化设计。利用上一部分中经过计算选择出的三维四向编织复合材料纤维倾斜细观力学模型和位移周期性边界条件,对多组不同编织角θ和纤维体积含量V_f三维四向编织复合材料的热膨胀性能进行数值模拟,得出三维四向编织复合材料热膨胀系数随编织角θ和纤维体积含量V_f变化的变化规律。最后,在已经得到的计算结果基础上,优化设计出了内部应力分布最均匀的编织方向零热膨胀的三维四向编织复合材料。 本文运用理论方法和有限元方法对三维四向编织复合材料热膨胀性能进行了研究,得出三维四向编织复合材料热膨胀系数随编织角θ和纤维体积含量V_f变化的变化规律,并在此基础上通过优化设计得出编织方向零热膨胀的三维四向编织复合材料,为三维四向编织复合材料热膨胀性能研究工作的发展提供了参考。
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