基于多尺度理论的三维编织复合材料力学性能研究

发布时间：2020-06-28 01:28

【摘要】：三维编织复合材料是基于二维编织技术发展起来的一种具有独特结构的高新材料,具有高比强度、高比刚度、耐烧蚀性、整体性、可设计性等优点。在航空、航天、国防、生物医疗和体育用品等工业技术应用领域倍受关注。近30年来,随着纤维编织技术的日益成熟及应用领域的不断扩展,三维编织结构复合材料已从过去的次承力结构逐渐发展成为主承力结构,在各种系统结构中发挥越来越大的作用。三维编织复合材料整体结构力学性能研究已经成为编织结构设计及应用的研究热点。然而,由于三维编织复合材料细观结构的复杂性,从材料的细观机制出发,研究三维编织复合材料及其结构的力学行为、损伤演化规律,还有很多工作要做。本文将从三维编织复合材料细观构型出发,采用细观和宏观尺度相结合的方法,针对三维四向编织复合材料整体结构刚度和强度、粘弹性性能、热传导性能和热机械行为四方面进行数值和实验研究。由于三维编织复合材料细观结构的复杂性,对编织复合材料整体结构力学响应分析时,传统的有限元离散将产生大量的节点自由度,从而导致过量的计算机内存需求。本文提出一种能够快速、高效预报编织复合材料整体结构强度的多尺度数值计算方法,建立三维四向编织复合材料的宏细观多尺度有限元模型,在此基础上对三维编织复合材料的刚度及三点弯曲工况下结构的宏细观应力场分布及结构弯曲强度进行研究。此外,研究编织几何参数对材料有效弹性常数及结构弯曲强度的影响,通过实验结果对该多尺度方法的数值计算结果进行有效验证。该方法可推广到三维多向编织复合材料,甚至许多周期性复合材料力学性能的研究中,为复合材料的优化设计提供参考。基于多尺度理论,推导了预报三维四向编织复合材料粘弹性性能的有限元方程,建立了宏观结构模型、细观单胞模型及微观纤维束模型,在Laplace域内计算不同尺度下三维四向编织复合材料的等效松弛模量。通过最小二乘法数值拟合预报三维四向编织复合材料等效松弛模量在时间域内的值,并讨论编织角度、松弛时间对材料粘弹性性能的影响。同时,结合一定的松弛边界条件对宏观、细观和微观尺度下应力场进行数值预报。本文基于多尺度数值计算方法,建立了三维四向编织复合材料的宏细观多尺度热传导行为数值预报模型,计算了三维四向编织复合材料的等效热传导系数,讨论了编织结构参数对三维四向编织复合材料热传导性能的影响。通过施加两类不同的边界条件(绝热边界和非绝热边界),进一步研究三维编织复合材料的热传导行为,给出不同边界条件下三维编织复合材料宏细观温度场、热流场分布,分析三维编织复合材料宏细观热传导机理。本文还基于多尺度方法建立了三维编织复合材料热力耦合分析模型。在热弹性理论基础上,研究了热力耦合条件下三维四向编织复合材料结构的宏细观应力分布规律,讨论编织角、初始温度增量对三维编织复合材料弯曲强度的影响,并通过实验进行验证。在热粘弹性理论基础上,推导了含初始温度增量的三维编织复合材料热粘弹性的多尺度计算公式,通过建立三维编织复合材料热粘弹性本构关系,预报三维编织复合材料等效热应力松弛系数、等效时变热膨胀系数,并讨论编织角、松弛时间的影响,研究三维四向编织复合材料在热力耦合条件下结构宏观、细观和微观热应力松弛规律。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

嫦娥,导弹,三维编织复合材料,卫星

⒚癖?III 号、卫兵、SICBM、SPI 等战略导弹的鼻锥(如图1-1(b))，日本的 Hope、前苏联的暴风雪、欧洲的 Hermes、美国的 Shuttle、NASP、英国的 HOTOL 等航天飞机的头锥和翼缘，美国 MX 导弹(如图 1-1(c))发动机的喷管延伸锥以及俄罗斯潜地导弹的发动机可延伸出口锥等均使用了三维编织复合材料。国内天津工业大学研制的“三维编织复合材料卫星空间桁架结构连接件”已在我国发射的第一颗探月卫星“嫦娥一号”(如图 1-1(d))得到了很好的运用。美国波音和洛克希勒公司将编织技术应用于飞机机身部件的制造上，用三维编织复合材料制造了飞机加筋蒙皮、螺旋桨叶片、整流罩、机身框、舱窗间壁板、机身龙骨框等结构件。美国比奇公司的“星舟”(Starship) l 号公务机，其机身关键部位也同样采用了编织复合材料结构件。美国的 Brunswick 公司还用编织复合材料制作了大量的导弹弹翼、发射筒等军事用品。

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图 1-2 三维编织复合材料未来应用领域 (a) C919 飞机，(b) 航空发动机风扇叶片c) 直升机构件，(d) 直升机，(e) JASSM 巡航导弹，(f) 编织中的 JASSM 巡航导弹筒Fig. 1-2 Future application field of 3D Braided Composites (a) C919 Plane, (b) Fan blaf aero-engine, (c) Helicopter component, (d) Helicopter, (e) JASSM cruise missile, (f) JASScruise missile barrel under weaving鉴于三维编织复合材料优异的力学性能及其应用领域的不断扩大，已去的次承力结构发展成为主承力结构，在各类系统结构中发挥越来越大用。编织复合材料强度问题已经成为编织复合材料设计和使用的关键，而现有的关于编织复合材料破坏机理和强度的研究多数依靠实验手段论研究主要采用细观力学方法对单胞强度进行研究，而关于编织复合材体结构强度的理论模型和计算方法研究很少，还很难预报编织复合材料结构的强度，从而指导结构的优化和控制结构的失效。由于编织复合材观结构的非均匀性和复杂性，其强度不仅与制备工艺和组分性能有关，编织工艺和编织参数有很大的关系。因此，在进行强度分析时，不仅需虑组分材料的性能、纤维的体积分数、结构的成型工艺、几何特征、纤维体界面性能、编织角等因素，还需要考虑纤维束的截面形状、空间取向

【参考文献】