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短纤维增强复合材料力学性能的预测研究

赵延军  
【摘要】:复合材料力学性能研究的核心任务是建立复合材料宏观性能同其组分性能及其细观结构之间的定量关系,为复合材料的优化设计,性能评估提供必要的理论依据和手段。 本文从细观力学的角度,对短纤维增强注塑复合材料的宏观力学性能及其预测方法进行了研究。并结合单向纤维增强复合材料力学模型、平面复合材料叠层理论和纤维取向张量,建立具有平面和三维取向的短纤维注塑增强复合材料的力学模型。在一定程度上实现了复合材料的组分性能和细观结构与复合材料宏观力学性能之间的定量关系。主要工作如下: 1.理论分析了现有的单向纤维取向复合材料力学性模型,将模型的程序计算结果与有限元计算结果相比较发现,多数模型在纤维体积百分数比较大时的计算结果都有较大的偏差,而Tandon-Weng模型计算的结果较为准确。 2.针对注塑短纤维增强复合材料中纤维取向多呈现平面取向并有三维取向的问题,采用纤维取向分布函数及纤维取向张量对纤维的取向状态进行描述;并用雅可比方法求解每个纤维取向张量所对应的特征值及特征向量。 3.应用单向纤维取向复合材料力学模型、平面复合材料叠层理论及纤维取向张量相结合的方法,建立了具有平面和三维取向的短纤维增强复合材料的力性能模型。该模型对于短纤维增强复合材料纵向杨氏模量E_(11),横向杨氏模量E_(22),剪切模量G_(12)的预测结果对任意取向的短纤维增强复合材料都较准确,而其它各项在用于计算纤维呈平面取向的复合材料的模量值时才能得到比较精确的结果。 4.从数值上研究了纤维和基体的力学性能、纤维在复合材料中的体积百分数及其长径比、纤维取向状态对短纤维增强复合材料的杨氏模量、剪切模量、泊松比等力学性能的影响规律。


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