基于均勻化理論非編織碳-碳復合材料力學性能數值研究.pdf

1、C/C復合材料作為理想的高溫結構材料，其優(yōu)異的高溫性能和力學性能越來越受到重視，并在航空航天領域得到了廣泛的應用。C/C復合材料的性能與纖維的類型、增強方向、編織方式以及基體碳的微觀結構等因素密切相關。由于碳/碳復合材料制造周期長、成本高、工藝復雜，因而通過實驗，分別測定它們的力學性能去進行方案的選優(yōu)是不現實的。最合理的方法是對各種不同織物結構的C/C復合材料先進行理論預報，在理論上定性選定織物結構后，再投資進行材料的工藝優(yōu)化研究，以節(jié)

2、省投資和縮短研制周期，實現復合材料一設計一工藝一評價一體化。本文運用近年來倍受關注的均勻化理論，結合有限元法，對非編織C/C復合材料的宏觀等效性能進行了數值預報，對細觀結構應力進行了數值模擬與分析，得到了一些對該材料優(yōu)化設計具有一定指導意義的結果。 首先，本文以漸進展開均勻化理論為基礎，將均勻化理論與有限元相結合，建立了用來預測非編織C/C復合材料等效彈性參數的均勻化有限元方程，實現了宏細觀的有效結合。 其次，針對CVI

3、工藝制備的單向增強及非編織C/C復合材料，運用均勻化方法和有限元相結合的方法對其等效彈性參數進行了預報與分析。論文首先分別建立了單向增強及非編織C/C復合材料的細觀結構模型，針對單胞的周期性邊界條件，在前人的基礎上通過等效處理使其在胞元一級得到了滿足，建立了等效周期性邊界條件，即所謂的固定邊界條件。然后，分別對上述兩類材料的等效彈性參數進行了預測，并與文獻及實驗結果進行了比較，驗證了均勻化有限元法的有效性。接著考察了兩種細觀結構模型下相

4、材料參數的選取對1D C/C復合材料等效性能參數的影響，發(fā)現隨著碳纖維體積分數的增加，該材料的等效彈性模量單調增加，而泊松比則有所下降。在此基礎上，進行了二次均勻化計算，分析了纖維體積分數、纖維取向角及基體性能等參數對平紋及斜紋碳布疊層細編穿刺C/C復合材料等效性能參數的影響，探討了它們之間的相互制約和耦合作用的影響，提出了應合理選取各細觀結構參數，一定程度上為實現該材料的優(yōu)化設計奠定基礎。此外，分析了單胞模型存在缺陷時對該材料性能的影