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《南京航空航天大学》 2009年 博士论文
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碳/碳复合材料刚度与强度预测模型研究

袁辉  
【摘要】: 碳/碳(C/C)复合材料被认为是最有发展前景的超高温长时间使用的热结构材料,具有重要的国防战略价值。然而,由于C/C复合材料含有大量孔隙,且界面机制复杂,人们对其刚度与强度等力学性能的研究还不是很成熟,这已成为其进一步发展和应用的制约因素。因此,有必要通过C/C复合材料力学性能的试验研究,分析其刚度与强度等力学性能的影响因素,建立其刚度与强度的理论预测模型,为其更加广泛应用提供理论支持。 本文的主要研究工作包括以下几个方面: (1)制作了单向及三维四向编织两种增强结构的C/C复合材料,测试了碳纤维单丝的拉伸强度,测试了C/C复合材料界面强度,对单向及三维四向编织C/C复合材料拉伸、弯曲、剪切、断裂韧性等性能进行了试验研究。建立了纤维单丝强度的多重Weibull复合分布函数和考虑纤维周向剪切应力非均匀分布的界面剪切强度模型。设计了能够更好地反映三维四向编织复合材料属性的双燕尾型变截面拉伸试样。 (2)提出并建立了一种可以考虑孔隙影响的单向复合材料刚度预测模型。该模型基于纤维呈六边形阵排列假设,采用本文建立的阶梯回形模型预测单向复合材料的横向和剪切刚度,通过微分法分析含孔隙材料弹性性能。研究表明,本文的单向复合材料刚度模型预测精度较高。数值分析了单向C/C复合材料刚度随纤维体积分数、孔隙率等参数的变化规律。 (3)基于本文的单向复合材料刚度预测模型预测单向复合纤维束的刚度,建立了可以考虑孔隙影响的三维四向编织复合材料刚度预测模型。算例分析表明,本文模型简单、实用,且精度较高。发现并从理论上解释了三维四向编织C/C复合材料的拉伸、弯曲试验中的“切边效应”。数值分析了三维四向编织C/C复合材料刚度随纤维体积分数、编织角、孔隙率等参数的变化规律。 (4)建立了预测单向复合材料纵向拉伸强度的随机核理论与模型。该模型基于本文提出的随机核理想扩展过程计算随机核的扩展概率,考虑了多根纤维同时断裂的情况,考虑了随机核影响长度随断裂纤维数量增加而增大的规律。算例分析表明,随机核模型明显优于经典的统计强度模型。数值分析了材料尺寸、界面强度、纤维体积分数、断丝等对单向C/C复合材料强度的影响。 (5)基于随机核理论和三维四向编织复合材料多种损伤形式的分析,建立了考虑纤维单丝强度分散性的三维四向编织复合材料纵向拉伸损伤模式分析方法和强度预测模型。研究表明,本文的强度预测模型具有较高的精度。数值分析了编织角、材料尺寸、界面强度、孔隙率、切边作用等对三维四向编织C/C复合材料强度的影响。


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