三维四向编织复合材料的几何建模及刚度预报

提出了四步法三维四向矩形编织复合材料的单胞几何模型,该模型考虑了空间纤维束的相互扭结和挤压而造成的纤维束弯曲和截面形状变化。基于刚度体积平均思想,采用微元段直纤维的单向层板刚度分析方法建立了相应的刚度预报模型,得到了材料的工程弹性常数,数值结果表明了该模型的有效性;分析了工艺参数和纤维束横截面形状对弹性常数的影响规律,得到了一些有益结论。

缝合复合材料弹性性能分析的新方法——流场模型Ⅰ:缝合单层板弹性常数计算

为了求解缝合层合板中单层的弹性常数,基于单层面内纤维走向与绕流流场中流线形状的相似性,建立了与缝合单胞相对应的有限空间定常二维无粘性不可压理想流体的无旋绕流流场模型,流场的几何边界与单胞的边界一致,绕流物面与缝线截面形状一致。用该流场的速度变化描述单胞面内纤维体积含量的变化,用流线形状描述缝线周围面内纤维的变形。以流场模型为基础,用细观力学方法和均匀化方法求得缝合单层的弹性常数,结果与实验值吻合。最后用流场模型分析了缝合参数对缝合单层弹性常数的影响。

缝合复合材料弹性性能分析的新方法——流场模型Ⅱ:缝合层合板弹性常数计算与实验

为了求解缝合层合板的弹性常数,基于用流场模型计算缝合单层弹性性能的思想,建立流场模型计算各种铺层方向缝合单层的弹性性能。以相应的流场模型为基础,结合细观力学方法和均匀化方法,计算了0°和45°缝合单层的弹性常数。最后应用改进的均匀化方法,求得了6组缝合层合板的弹性常数,计算结果与实验结果吻合较好。

二维机织复合材料力学分析中的周期性边界条件研究

为了精确地进行二维机织复合材料力学性能的数值分析,需建立单胞模型的准确边界条件。基于周期边界条件理论,提出了简便通用的二维机织复合材料周期边界方程,并给出了周期边界条件下各弹性常数在有限元分析中的求解方法;为验证周期边界条件的正确性,建立了9个单胞构成的九宫格结构,取中央单胞作为参考单胞,对不同边界条件下独立单胞的变形和应力分布与参考单胞进行对比。研究结果表明:即使在单向拉伸载荷下,单胞各个边界面也不保持平面状态,而是出现凹凸翘曲变形,即存在边界周期性;通过边界周期性条件,可正确地获得二维机织织物的工程弹性常数。

缝合复合材料单层板的弹性常数分析

根据缝合层合板的细观几何特征,考虑因缝线穿过纤维导致纤维弯曲的近似正(余)弦曲线情况,建立了反映缝合复合材料层合板细观结构形式的单层板有限元模型。在此模型的基础上分析了T700/QY8911缝合单层板的有效弹性常数,并与未缝合模型进行了比较。有限元模型和实例分析说明利用有限元途径分析缝合单层板的有效常数是切实可行的,同时为缝合层合板/壳的有关常数的有限元分析奠定了理论基础。

一种新的三维四步编织复合材料几何模型及其在宏观弹性性能预测中的应用

为了准确预测三维四步(1×1)编织复合材料的宏观弹性常数,提出了一种考虑纤维束三维几何结构和纤维束与基体相互作用、便于有限元网格划分的单胞几何模型,该模型精确地反映了纤维体积比。以该几何模型为基础,用六面体单元分别对纤维束和基体进行了网格划分,满足了纤维束与基体界面间的位移连续条件。采用有限元模型计算了编织复合材料的宏观弹性常数,与其他计算结果和实验结果的比较表明,该几何模型和有限元模型比较合理。

复合材料模量细观分析的一般性模型

基于细观力学理论,提出了横观各向异性复合材料弹性常数的分析模型,并给出了纵向(纤维长度方向)与横向弹性模量、横截面内剪切模量和泊松比等材料性能参数的理论推导和计算公式.此方法简洁准确地反映了材料横观各向异性性能,改进了常规细观力学模型,也为工程分析提供了理论依据;同时在复合材料力学课程教学中,有助于深化学生对复合材料细观分析的理解,具有一定的启发性.

T700/QY8911缝合复合材料细观力学模型研究

建立了两种缝合复合材料单层细观力学几何模型。通过考虑缝线引起面内纤维弯曲角度的梯度渐变分布和纤维弯曲区域宽度的范围,以T700/QY8911缝合复合材料为例,用细观力学方法和数值积分方法分别计算了两种模型的弹性常数和拉伸强度。计算及试验结果表明,缝合引起的面内纤维弯曲变形导致了复合材料纵向弹性常数下降;无论增强纤维最大弯曲变形程度为何值,当纤维弯曲区域宽度越小,纤维弯曲区域宽度对纵向弹性模量的影响越大;即缝线引起纤维在针脚附近只有部分纤维发生弯曲变形比纤维全部发生弯曲变形得到的结果更准确。

节能砌块隐形密框墙板的弹性常数及刚度计算

为了解决节能砌块隐形密框墙板材性复杂、弹性常数不易确定的问题,在6片比例为1/2的隐形密框墙板拟静力水平加载试验以及数值模拟的基础上,通过对墙板特殊构造的分析,利用复合材料力学的知识,按照截面上混凝土含量不变的原则,介绍单向纤维加强方法,在此基础上,将节能砌块隐形密框墙板等效为正交各向异性的双向纤维加强复合材料,建立墙板的复合材料力学模型;提出墙板等效弹性常数的理论计算公式;进而将墙板简化为各向同性的计算模型,给出墙板弹性常数的实用计算公式,为节能砌块隐形密框墙板的实用弹性刚度计算公式提供必要的参数。将理论计算与试验结果进行对比分析,对墙体的弹性抗侧刚度的计算公式进行修正,提出适合于节能砌块隐形密框墙板的弹性抗侧刚度的计算公式。研究结果表明:由等效复合材料力学简化模型推导的弹性常数及刚度计算公式具有一定的理论依据和实用价值,能够满足实际工程计算需要。

用DPS模型预测缝合复合材料弹性常数

提出了模拟缝合复合材料单层的DPS模型 ,并采用材料力学方法对该模型进行了细观分析 ,给出了缝合复合材料面内弹性常数的预测方法。同时 ,利用本文得到的方法对T30 0 /QY8911缝合复合材料弹性常数进行了预测。通过与试验结果的对比分析证明 ,该预测方法具有非常高的准确性。

缝合复合材料弹性常数细观力学模型的分析比较

对近几年来公开发表的缝合复合材料弹性常数的细观力学模型进行了分析比较。通过计算对比了铺层纤维面内弯折、正弦波状弯曲、多项式描述纤维弯曲三个典型的缝合复合材料弹性常数的细观力学分析模型。结果表明,采用面内纤维弯折假设的弹性常数分析模型对缝纫参数的改变不敏感;采用面内纤维弯曲假设的模型对缝纫参数改变敏感,不同模型得到的弹性常数随缝纫参数变化趋势几乎是相同的。但是,假设纤维在针脚附近只有部分纤维发生弯曲比假设纤维全部发生弯曲得到的结论更合理。

基于纤维随机分布模型的复合材料弹性常数预测

为了实现复合材料弹性常数的准确预测,本文研究了基于纤维随机分布细观力学模型的数值模拟计算方法。首先采用改进的随机扰动算法实现了对复合材料的纤维随机分布结构特征的表征,并在有限元软件中建立了纤维随机分布的复合材料代表性体积单元(RVE)模型。通过施加周期性边界条件、采用体积均匀化的计算方法,实现了两种典型复合材料的弹性常数的预测,并与传统的四边形规则分布模型预测结果、文献试验结果进行了对比验证。结果表明,采用纤维随机分布的细观力学模型可实现对复合材料弹性常数较为准确的预测。此外,计算结果表明,纤维分布的随机性对复合材料宏观弹性常数的离散度影响较小。

模态法辨识针刺C/C复合材料弹性模量

针对传统方法测量C/C复合材料弹性模量精度差问题,提出了一种利用模态试验辨识材料弹性模量的新方法。数值仿真结果表明板件材料振动频率与弹性模量之间存在模糊对应关系,利用此关系采用二分法及二阶响应面近似模型对材料弹性模量进行辨识,并分别利用各向同性薄壁板件及正交各向异性薄壁板件对此方法进行验证,计算结果误差最大为16.67%,最小仅为0.5%,表明该方法准确有效。最后将其应用于针刺C/C复合材料,获得了其弹性模量。仿真及试验结果均表明该方法无损、高效且准确度高。

复合材料厚层合板力学性能等效方法研究

基于复合材料三维等效弹性常数理论,分别建立了厚复合材料悬臂梁和三点弯曲厚复合材料层合板的等效模型进行数值分析,并和逐层细分模型结果对比,研究了子层对等效模型位移计算误差的影响,分析了等效模型层间应力的计算精度。研究表明,对于子层厚度比<0.2的厚复合材料层合板,采用等效模型进行数值分析,可以得到较高精度的位移-应力分析结果。以等效模型得到的层间应力作为设计约束时,厚复合材料层合板的设计是偏安全的。

非连续大线长纤维增强复合材料宏观弹性常数预测方法

基于Tandon-Wend模型对单向非连续纤维增强复合材料的宏观弹性常数进行了预测,然后采用纤维长度和纤维取向两个特征变量,结合层合板理论预测纤维随机分布的非连续纤维增强复合材料的宏观弹性常数。最后通过实验验证了文中所述方法的准确性。结果表明,本文方法可以准确地预测纤维随机分布的非连续大线长纤维增强复合材料的宏观弹性常数。

含纤维束截面形状变化的三维编织复合材料细观模型及刚度预报

基于实验观察和理论研究,重点分析了材料内部区域纤维束的空间构型,建立了一个新的三维实体细观结构模型,并指出了编织工艺参数和模型细观结构参数之间的关系。该模型较真实地反映了纤维束之间的相互挤压变形方式,纤维束横截面积沿纤维束轴向不断变化,更符合三维四向编织复合材料的实际结构。基于刚度体积平均及柔度体积平均混合思想,建立了相应的刚度预报模型。用该模型计算编织复合材料几何特性及工程弹性常数的数值结果与试件实测数据吻合,表明了该模型的合理有效性,为进一步研究三维编织复合材料的拉伸强度及破坏机制提供了基础。

二维二轴编织复合材料几何模型及弹性性能预测

提出了二维二轴1×1和2×2编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的相互挤压及横截面的变化。基于细观分析和体积平均法,建立了预测二维二轴编织复合材料弹性性能的理论分析方法。数值结果与试验结果吻合,表明该方法行之有效,且具有运算快、精度高、适合工程分析等优点。分析了编织角、纤维体积含量和纤维束横截面形状对材料弹性常数的影响。研究表明,编织角对弹性常数的影响具有互补性,材料弹性模量与纤维体积含量成正比,纤维束截面形状变化对材料弹性常数影响不大。

整体中空夹层复合材料的弹性性能分析

基于织物真实形态选取了整体中空夹层复合材料的最小结构单元,确定了几何参数和纤维体积含量的计算方法,建立了力学模型,并在此基础上预测了整体中空夹层复合材料的弹性常数。分析了当绒经和地经纱的织造密度保持一定的比例不变时,不同织造参数下面板弹性性能的变化。制作了侧拉、平压试件并进行了性能测试,通过实验值和理论预测值的对比,表明了力学模型的正确性。

二维机织复合材料弹性常数的有限元法预测

为了预测二维机织复合材料的弹性性能,建立了有限元力学分析模型。基于二维机织复合材料的几何特征,建立了参数化的单胞模型;考虑了织物纤维束呈现出的各向异性材料特征,将有限元中材料主方向转化到纤维屈曲方向,建立其力学分析有限元模型;分析了单胞边界面保持平面假设的不足,提出了对于二维机织复合材料通用的周期边界条件,获得了更为准确的二维机织复合材料的工程弹性常数。结果表明:织物衬垫单胞边界面,在单向拉伸载荷和纯剪切载荷下,呈凹凸翘曲变形,即为周期边界;应用给出的织物参数化几何建模方法与有限元求解方法,可以精确地获得工程弹性常数,数值计算结果与实验值吻合较好。

一种改进的三维四向编织复合材料单胞模型及宏观弹性常数预测方法

提出了一种考虑打紧工艺导致纤维束截面形状沿其轨迹方向连续变化的三维四向编织复合材料改进单胞模型,并用于宏观弹性常数预测方法。首先,基于编织工艺过程分析,确定了单胞内部的纤维束布局形式;然后,从几何上推导了纤维束受挤压部位的位置坐标,并假设纤维束在受挤压前截面为圆形,受挤压部位发生圆形到椭圆的过渡变化,导致纤维轨迹产生弯曲,建立了纤维束截面为圆形和椭圆连续变化的改进单胞模型。通过该模型推导单胞编织参数和几何尺寸的数学关系,由此得出的几何特征数据与试件实测数据较为吻合,花节长度的预测值相对误差小于4%,相比于不考虑纤维束挤压变形的单胞模型更接近实际情况。最后,基于该改进的单胞模型,预测了三维四向编织复合材料的宏观弹性常数,并进一步研究了编织角和纤维体积分数对弹性常数的影响规律。