三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析

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三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析

复合材料学报ActaMateriaeCompositaeSinica

文章编号:1000-3851(2005)05-0155-07

第22卷　第5期　　10月　2005年Vol.22

No.5

October

2005

三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析

杨振宇1,卢子兴1,*,刘振国1,李仲平2

(1.北京航空航天大学固体力学研究所,北京100083;2.航天材料工艺研究所,北京100076)

摘　要:　在已有研究的基础上,提出了一个新的三维编织复合材料单元胞体模型,该模型正确地反映了纤维束的交织方式,十分接近三维编织复合材料的真实结构,可用于三维四向编织复合材料有效模量的有限元数值预报,并合理确定复合材料内部全场应力分布。采用有限元软件对该模型进行了力学分析,得到了相关等效弹性性能参数。结果表明:有限元计算得到的三维编织复合材料的等效弹性性能与实验结果和理论预测值都吻合较好,从而验证了该模型的有效性。此外,基于新的单元胞体模型还确定了三维四向编织复合材料的应力场,为进一步的强度计算奠定了基础。

关键词:　三维编织;复合材料;有限元;等效弹性性能;应力场中图分类号:　TB330.1　　文献标识码:A

FINITEELEMENTANALYSISOFTHEMECHANICAL

PROPERTIESOF3-DBRAIDEDCOMPOSITES

YANGZhenyu,LUZixing

1

1,*

,LIUZhenguo,LIZhongping

12

(1.InstituteofSolidMechanics,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China;

2.InstituteofSpaceMaterialTechnology,Beijing100076,China)

Abstract:　Onthebasisofavailablestudies,anewmodelofrepresentativevolumeelementsof3-Dbraidedcom-positesisproposed,whichtrulyreflectsthebraidedmannerandcoincideswiththeactualconfigurationofthebrai-dedcomposites.Itcanbeusedtopredicttheeffectivemodulusof3-DbraidedcompositeswithFiniteElementMeth-od(FEM)anddetermineitsstressfieldinreason.Thefiniteelementsoftwarewasadoptedtostudythemechanicalpropertiesofthismodel,andtheeffectivepropertiesofelasticitywereobtained.Theresultsshowthattheonesoffiniteelementcalculationfitwellwiththeexperimentalresultsandtheoreticalprediction,whichdemonstratesthevalidityofthismodel.Inaddition,basedonthenewmodel,thestressfieldof3-Dbraidedcompositesintensionorshearingisdetermined,whichprovidesthebasisforstrengthcalculationinthefuture.

Keywords:　threedimensionalbraiding;composites;FEM;effectiveelasticproperties;stressfield

　　随着计算机应用的普及和各种有限元计算方法及理论的发展,用有限元分析来预报复合材料力学性能的工作不断涌现,但相对而言,对编织复合材

料的力学计算还不多见,且由于编织复合材料结构的复杂性,所以目前的分析模型一般均包含有较多的脱离实际的假设。编织复合材料有限元分析的工作主要有:Lei等建立了三维桁架结构的有限元胞体模型,其中用梁单元模拟纤维束,而基体简化为杆单元,该模型虽然在一定程度上反映了复合材料中纤维束的交织情况,但对纤维束和基体的受力、

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变形方式及它们之间相互作用的处理过于简化。Chen等[2]基于变分原理,提出用有限多相单元法来预测三维编织复合材料的有效性能。Tang等从三维编织复合材料的细观结构入手,采用非线性有限元模拟分析了三维编织复合材料的变形。而孙慧玉等则通过均匀化理论和非协调多变量有限元法研究了三维编织复合材料的微观力学性能,提出采用非协调位移单元和混合应力单元来模拟三维编织复合材料的有效弹性力学性能。最近,庞宝君等[5]根据自己所建立的三维多向编织复合材料的单胞几何

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收稿日期:2004-11-09;收修改稿日期:2005-01-07基金项目:航空科学基金资助项目(04B51045)通讯作者:卢子兴,教授,主要研究方向为复合材料力学、泡沫材料力学　E-mail:luzixing@

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