编织复合材料热相关力学性能预测及参数识别

发布时间：2020-08-13 03:02

【摘要】：相比于传统层合复合材料,编织复合材料因其内部纤维束相互交织在一起,结构整体性能更加优异,在航空航天等工程领域中,复合材料的应用越来越广泛。由于编织结构的基体和纤维具有不同的热膨胀系数,高温服役环境下材料内部不可避免的会产生热变形和热应力,使材料宏观性能发生变化,导致复合材料热结构设计存在困难,准确预测与识别复合材料热弹性相关参数是解决问题的关键之一。本文主要研究工作如下:首先,基于热弹性力学理论提出一种编织复合材料热弹性相关参数的预测方法。采用编织复合材料双尺度有限元模型,施加周期性非绝热温度边界条件和位移边界条件,进行编织复合材料热弹性相关参数预报。以2.5维编织复合材料为对象,依次建立纤维束、2.5维编织结构双尺度单胞有限元模型,按照参数预报步骤首先取纤维束单胞模型,预测其热弹性相关参数,然后,将纤维束单胞预测结果代入到2.5维编织结构单胞模型,预测2.5维编织复合材料热弹性相关参数。其次,针对热环境下结构灵敏度研究,首先通过热弹性梁、板单元,系统的开展了热环境下结构动力学有限元建模分析,具体推导了考虑温度影响的单元刚度矩阵K_T,和考虑热应力影响的单元刚度矩阵K_σ。然后,采用复变函数法对热弹性梁、板进行灵敏度分析计算。为验证热结构动力学有限元建模和灵敏度分析的正确性,分别以两端固支梁和四边简支板为对象,进行热模态分析和灵敏度计算。最后,在验证热弹性梁、板单元动力学有限元建模准确的基础上,进一步验证灵敏度分析在热结构中的适用性。最后,基于编织复合材料热弹性相关参数等效预测的结果,建立编织复合材料等效模型,并将此预测值作为参数识别的初值。对编织结构等效模型和精细模型进行振型匹配和相关性分析,对二维正交各向异性的材料参数进行相对灵敏度分析。选取所有材料参数作为待识别参数,利用复变函数相对灵敏度进行优化计算。最后,基于精细模型和等效模型的热模态结果构造目标函数残差,识别编织复合材料热弹性相关参数。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

性能更加优异。编织结构预制件按照纤维束的空间构型，可分为 2 维织物、2.5 维织物、3 维织物等，如图 1-1 所示。编织复合材料相较于传统复合材料具有明显的优势：第一，编织预制件结构稳定，层间强度增加，具有良好的抗分层能力；第二，纤维束在编织过程中相互交织，通常具有弯曲的空间几何特点，使编织复合材料在厚度方向具有一定的强度，整体结构具有更加均匀的力学性能；第三，通过调整编织方式、编织工艺参数可易于获得不同结构性能的材料，具有更强的可设计性。

面则为六面体与平行四边形交替出现；2.单胞尺寸为 12.9mm×2mm×0.66mm ；相邻纱线都紧密接触，纱线与基体理想粘结，忽略接触的热阻效应。以上假设中 1 是根据文献[80]预制成型织物中纬纱和经纱的截面形状分别近似为平行四边形、和矩形而作出的，如图 2-13 所示。2.5 维 C/SiC 编织复合材料具体几何模型参数6 所示。

图 2-9 纤维预制体结构示意图合材料几何模型所示，考虑经纱、纬纱经挤压变材料代表性体积单元。图 2-11、图 2-12 分别有限元模型。在建模过程中假设：1.经纱横截四边形交替出现；2.单胞尺寸为 12.9mm×2m

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