基于改进三胞模型考虑孔隙缺陷的三维四向编织复合材料多尺度力学性能分析

编织复合材料在制造过程中不可避免地会出现孔洞缺陷,这些缺陷直接影响编织复合材料的力学性能。基于开源软件TexGen[1]实现编织复合材料内胞、面胞和角胞的参数化建模,在面胞和角胞模型中均考虑了纱线轨迹在空间中的偏移和受到打紧工序时纱线之间的相互挤压。利用random函数在微观尺度微观模型的基体中引入孔隙单元来模拟纤维束内干斑,在细观尺度上的三单胞模型基体中引入孔隙单元来模拟纤维束间孔隙,在宏观尺度上建立含内胞、面胞、角胞细观单元宏观均质模型对宏观弹性常数进行预测。结果表明:(1)孔隙率对细观尺度三类单胞模型的弹性常数影响程度不同;(2)纤维束内干斑孔隙对宏观弹性性能的影响要大于纤维束间孔隙,随着干斑孔隙率Pm增加,纵向泊松比减小,而随着纤维束间孔隙率Pn增加,纵向泊松比呈现出递增的趋势。

基于三胞模型的2.5D编织复合材料力学性能研究

为了准确预测2.5D编织复合材料的纵向力学性能,本工作以2.5D等厚度和变厚度编织复合材料为研究对象,基于细观结构表征结果,建立了一种考虑表面挤压效应和纱线错位滑移影响的2.5D等厚度和变厚度编织复合材料的全胞和三胞模型;并在所建立的全胞和三胞几何模型的基础上,基于逐渐损伤法开展了2.5D等厚度和变厚度编织复合材料的数值模拟分析,对不同结构的纵向刚度和强度进行了预测,模拟了不同结构的损伤扩展过程和损伤行为,并与实验结果进行对比验证。结果表明:考虑表面挤压效应和纱线错位滑移影响的全胞和三胞模型能更准确地预测2.5D编织复合材料的力学性能;三胞模型的数值模拟结果能更准确地反映2.5D编织复合材料的损伤扩展过程,更全面地表征2.5D编织复合材料的损伤行为。

基于三胞模型的三维五向编织复合材料刚度性能预测

三维五向编织复合材料空间拓扑结构复杂,为了对其刚度性能进行准确预测,本文首先研究了三维编织工艺中纱线的运动规律,根据空间纱线轨迹在角部、表面和内部的分布情况确定了角胞、面胞和内胞组成的三胞实体模型。然后对三胞模型划分对称网格并施加合理的周期性边界条件,通过有限元分析分别计算单胞的刚度性能后,采用体积平均法获得宏观材料的整体刚度,并与试验结果进行比对。研究结果表明,本文构建的三胞结构模型可以准确反映三维五向编织复合材料的细观结构,刚度性能预测结果较好,为组分材料的选择及编织工艺的改进提供了理论依据。

三维五向编织复合材料的一种改进细观三单胞建模

基于三维五向编织复合材料的编织工艺,分析纤维束的运动轨迹及空间拓扑关系,建立了一种改进的细观三单胞(三单胞指内胞、面胞、角胞)模型。该模型假设纤维束的横截面形状在编织过程中发生渐进变化,考虑了纤维束间的相互挤压变形及扭转弯曲特征,并确定了材料整体尺寸与各编织工艺参数间的关系,实现了三单胞模型的参数化建立。将模型理论预测值与实测值进行比较验证,结果表明,模型预测值与试样实测值比较吻合,且在织物排列结构的行数m和列数n相等时(编织角22.3°、26.5°时),两者吻合度最高,可见本模型适用性好,且对行列相等的织物排列结构尤为适用。

三维编织复合材料细观结构建模关键问题研究

基于细观力学的数值分析方法是研究三维编织复合材料力学性能的有效方法,其中细观模型的建立是力学分析的基础。纤维束的空间走向和细观结构几何参数表征是细观结构建模中的两个关键问题。围绕这两个关键问题,针对三维四向编织复合材料的三单胞模型开展研究,全面分析了单胞45°划分方式和水平划分方式中纤维束的各种空间走向,获得了详细的三单胞的纤维束方向余弦;针对三种形状的纤维束横截面,分析推导了编织工艺参数与单胞几何参数的复杂关系,利用编织工艺参数作为初始参数对单胞结构进行定量化表征,并获得了纤维束体积分数和纱线填充系数的计算方法。研究工作为三维多向编织复合材料的细观结构建模提供理论参考,具有一定的工程实用价值。

三维四向编织复合材料有效性能的预报

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征,建立了比较合理的三胞模型。模型中考虑了3种单胞各自纤维束的空间结构和弯曲,同时引入纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响。基于刚度体平均方法,建立了相应的刚度预报模型,得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数。用细观力学方法分析了工艺参数和尺寸效应对材料有效性能的影响规律。不同尺寸试件的数值预报结果和实验结果吻合较好。

三维编织复合材料圆柱壳的稳定性研究

采用MSC/NASTRAN大型有限元分析软件对含有损伤的三维编织复合材料壳体进行了分析 ,重点对影响三维编织复合材料圆柱壳体结构稳定性的因素如编织角、损伤程度等进行了研究 ,给出了相应的数值计算结果 .结果表明 ,编织角、局部损伤。

三维编织复合材料力学性能分析方法研究

三维五向编织复合材料空间拓扑结构复杂,为了对其刚度性能进行准确预测.本文首先研究三维编织工艺中纱线的运动规律,根据空间纱线轨迹在角部、表面和内部的分布情况确定角胞、面胞和内胞组成的三胞实体模型。然后对三胞模型划分对称网格并施加合理的周期性边界条件,通过有限元分析分别计算单胞的刚度性能后,采用体积平均法获得宏观材料的整体刚度,并与试验结果进行比对。研究结果表明,本文构建的三胞结构模型可以准确反映三维五向编织复合材料的细观结构,刚度性能预测结果较好,为组分材料的选择及编织工艺的改进提供理论依据。