二維二軸編織復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)分析.pdf

1、二維二軸編織復(fù)合材料是從20世紀(jì)末發(fā)展起來的一類新的纖維復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的復(fù)合材料層合板相比，由該材料制備的復(fù)合材料層合板具有較好的層間剛度、層間強(qiáng)度和韌性性能，因此提高了復(fù)合材料層合板的抗分層的能力。此外，該材料還兼有比強(qiáng)度與比模量高、抗疲勞性能好、減振性能好、材料性能的可設(shè)計(jì)性等特性。因此，在航空航天、建筑、汽車等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。由于纖維編織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，所以前人大多采用簡化的方法描述纖維束的幾何構(gòu)造，而且以往研究的問題大多局

2、限于復(fù)合材料整體的宏觀力學(xué)性能與行為，很少詳細(xì)地探討細(xì)觀層次內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分布與損傷。可見，基于精細(xì)的編織結(jié)構(gòu)模型開展復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上開展纖維束編織結(jié)構(gòu)-復(fù)合材料力學(xué)性能-變形的相關(guān)性研究，具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。 本文采用CAD軟件UG NX4以及有限元模擬軟件ANSYS，根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)，針對(duì)二維二軸編織復(fù)合材料的兩種常見方式-1×1編織方式和2×2編織方式，數(shù)值模擬了在不同編織角和不同受載模式下的復(fù)合

3、材料力學(xué)行為，計(jì)算了復(fù)合材料在編織方向上的等效彈性模量，分析了其影響因素及其規(guī)律。 具體而言，本文建立了纖維束的三維實(shí)體模型，描述了纖維束在復(fù)合材料內(nèi)部的布排走向以及因編織構(gòu)造而引起的彎曲，采用了一種平行四邊形單胞模型（其內(nèi)部包含的每根纖維束的結(jié)構(gòu)都具有最小周期性），設(shè)定了六種邊界條件，模擬了二維二軸編織復(fù)合材料在三維空間內(nèi)的應(yīng)力分布，得到了以下結(jié)論： 1．當(dāng)復(fù)合材料受到沿纖維束布排方向的單向拉伸載荷時(shí)，對(duì)于1×1編織復(fù)

4、合材料，在主要承載纖維束交疊面的一端出現(xiàn)較嚴(yán)重的應(yīng)力集中；對(duì)于2×2編織復(fù)合材料，在交疊面的兩端以及中間部位出現(xiàn)應(yīng)力集中。在該種受力條件下，編織角的改變對(duì)主承載纖維束應(yīng)力分布的影響不明顯，而對(duì)次承載纖維束的應(yīng)力分布影響比較顯著。 2．當(dāng)模型的側(cè)面受到簡單剪切而產(chǎn)生切向變形時(shí)，在主承載纖維束的固定端產(chǎn)生應(yīng)力集中。其中，當(dāng)模型側(cè)面受到沿厚度方向的切向載荷而使模型產(chǎn)生彎曲變形時(shí)，隨著編織角的增大，2×2編織復(fù)合材料的內(nèi)部應(yīng)力也增大，而

5、1×1編織復(fù)合材料的內(nèi)部應(yīng)力變化不大。當(dāng)模型側(cè)面受到沿纖維束布排方向的切向載荷時(shí)，隨著編織角的增大，不論1×1編織還是2×2編織，復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力都逐漸減小。 3．當(dāng)復(fù)合材料受到沿垂直編織平面方向的單向拉伸載荷時(shí)，在+θ纖維束與-θ纖維束的交疊處出現(xiàn)應(yīng)力集中；對(duì)于1×1編織復(fù)合材料，交疊處交疊面的應(yīng)力集中程度比背離面的更為嚴(yán)重；對(duì)于2×2編織復(fù)合材料，位于纖維束兩端的交疊部分的應(yīng)力集中程度比位于中間的交疊部分的更為嚴(yán)重。編織角

6、越大，模型內(nèi)部的應(yīng)力也越大；這種現(xiàn)象在1×1編織復(fù)合材料里比2×2編織復(fù)合材料里明顯得多。當(dāng)復(fù)合材料上、下表面受到簡單剪切載荷時(shí)，同樣也是±θ纖維束交疊處出現(xiàn)應(yīng)力集中；但隨著編織角的增大，復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力變小，變形更容易。 4．分別通過有限元模擬、解析計(jì)算，得到了復(fù)合材料在編織方向上的等效彈性模量，并進(jìn)行了對(duì)比。隨著編織角的增大，編織方向上的等效彈性模量呈逐漸減小的趨勢。對(duì)于相同的編織角，與1×1編織復(fù)合材料相比，2×2編織復(fù)