基于均勻化理論的三維編織復(fù)合材料宏細(xì)觀力學(xué)性能的數(shù)值模擬.pdf

1、本文首先從三維編織工藝——四步法入手，分析紗線的空間位置，用曲線模擬紗線的路徑以形成較精確的三維四向編織復(fù)合材料的宏觀預(yù)制件模型，然后采用合理的單胞劃分的方法，對宏觀模型進(jìn)行剖分得到內(nèi)胞、面胞和角胞三種細(xì)觀單胞模型。通過對細(xì)觀幾何模型的分析，得到了三維四向編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律，還可得到常用細(xì)觀幾何參數(shù)和工藝參數(shù)的計(jì)算公式。 在對三維編織復(fù)合材料剛度性能的分析過程中，以基于小參數(shù)漸近展開和多尺度攝動(dòng)方法的均勻化理論為理論

2、基礎(chǔ)，用虛位移原理導(dǎo)出了等效彈性模量的均勻化列式及其有限元求解方程，從而通過細(xì)觀和宏觀有限元的數(shù)值分析方法預(yù)測了三維四向編織復(fù)合材料的等效彈性模量，預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。同時(shí)，還深入討論分析了編織角、纖維體積分?jǐn)?shù)等工藝參數(shù)對等效彈性模量的影響，得到了一些十分有益的規(guī)律和結(jié)論。 然后，通過均勻化理論和有限元分析相結(jié)合的方法，對三維編織復(fù)合材料在單向拉伸和三點(diǎn)彎曲情況下的細(xì)觀應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬，應(yīng)力模擬過程中首先詳細(xì)討論了基于

3、均勻化理論的三種單胞細(xì)觀周期性邊界條件的施加方法。采用截面法繪制的細(xì)觀應(yīng)力分布圖可以直觀、清晰地反映單胞區(qū)域任一截面上的應(yīng)力波動(dòng)情況。應(yīng)力模擬結(jié)果充分體現(xiàn)了編織角對三維編織復(fù)合材料細(xì)觀應(yīng)力分布狀態(tài)的影響，通過細(xì)觀應(yīng)力分析所得的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)論十分吻合。 為了從微觀的角度研究三維編織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度問題，本文對其進(jìn)行了多個(gè)拉伸載荷步下的非線性損傷分析，用合理的強(qiáng)度失效判據(jù)判斷三種單胞中各單元損傷與否和損傷類型，并采用剛度折減法

4、對損傷單元進(jìn)行處理。損傷分析結(jié)果表明了不同編織角復(fù)合材料微觀損傷模式的不同，以此為依據(jù)本文確定了表征編織復(fù)合材料破壞機(jī)制轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要參量——臨界編織角，對小編織角復(fù)合材料和大編織角復(fù)合材料分別建立了不同的拉伸強(qiáng)度失效準(zhǔn)則，并以這些準(zhǔn)則對三維編織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)，強(qiáng)度預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。 此外，論文還編制出一套較完整的關(guān)于三維四向編織復(fù)合材料力學(xué)性能的分析軟件，該軟件提供了交互式的分析界面，使得人們可以更