三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能與工程應(yīng)用研究.pdf

1、復(fù)合材料的三維編織技術(shù)是從20世紀(jì)80年代開始發(fā)展起來的一種新型復(fù)合材料成型技術(shù)，它將古老的編織技術(shù)與現(xiàn)代復(fù)合材料成型技術(shù)有機地融于一體，形成了一種具有獨特結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。應(yīng)用三維編織技術(shù)制造復(fù)合材料，從編織、復(fù)合到成品，不分層，無機械加工，或僅做不損傷纖維的少量加工，從而保持了材料的整體性，克服了層合板復(fù)合材料層間強度和剛度不足的缺陷，顯著地提高了材料的整體強度和剛度，也極大地提高了材料的綜合性能。目前編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于許多

2、高科技領(lǐng)域，例如體育用品、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械、汽車結(jié)構(gòu)以及國防和航空航天等。本文對三維編織復(fù)合材料的編織工藝、力學(xué)性能和高科技工程應(yīng)用等方面的問題進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究。 本文所做工作和創(chuàng)新主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 在深入分析三維編織工藝和預(yù)制件細(xì)觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首次提出了一種固定網(wǎng)格法對三維編織工藝進(jìn)行計算機仿真。采用MATLAB+3DMAX+AutoCAD VBA組合開發(fā)平臺，繪制了三維編織預(yù)成型件的空間網(wǎng)格圖和實體圖

3、，動態(tài)模擬了三維編織工藝全過程。 在對三維編織復(fù)合材料基本的單胞力學(xué)模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運用三細(xì)胞模型，對圓形截面三維編織復(fù)合材料的工程彈性常數(shù)進(jìn)行了理論預(yù)測，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)值計算，首次提出了一種準(zhǔn)橫觀各向同性材料的概念。這種材料的本構(gòu)關(guān)系中有6個彈性常數(shù)，其特性介于橫觀各向同性材料和正交各向異性材料之間。圓形截面三維編織復(fù)合材料即可以看作準(zhǔn)橫觀各向同性材料，這樣可以簡化三維編織復(fù)合材料力學(xué)分析。 以Tsai-Wu強

4、度準(zhǔn)則的二階表現(xiàn)形式為基礎(chǔ)，提出了一種計算三維編織復(fù)合材料矩形截面梁縱向拉伸強度的理論方法。該方法把三維編織復(fù)合材料看作橫觀各向同性材料，從而在確定Tsai-Wu強度準(zhǔn)則的各階強度張量系數(shù)時可以進(jìn)行簡化，使Tsai-Wu強度準(zhǔn)則能較好地應(yīng)用于三維編織復(fù)合材料的強度計算。 以單向復(fù)合材料軸向拉伸強度的統(tǒng)計模型為基礎(chǔ)，首次提出了一種計算三維編織復(fù)合材料軸向拉伸統(tǒng)計強度的新方法。根據(jù)這種方法進(jìn)行數(shù)值計算的結(jié)果表明，該方法能較好地預(yù)測三

5、維編織復(fù)合材料的軸向拉伸統(tǒng)計強度。 首次導(dǎo)出了三維編織復(fù)合材料剩余剛度和疲勞壽命的威布爾概率分布函數(shù)的表達(dá)式，并給出了上述兩個分布函數(shù)中有關(guān)參數(shù)的確定方法，為以后進(jìn)一步研究三維編織復(fù)合材料疲勞壽命試驗和壽命預(yù)測提供一定的理論依據(jù)。 通過對三維編織復(fù)合材料圓柱殼進(jìn)行屈曲和應(yīng)力分析，首次對三維編織復(fù)合材料高壓儲氣瓶的臨界載荷、強度和應(yīng)力分布等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了數(shù)值計算，其結(jié)果表明屈曲對三維編織復(fù)合材料高壓儲氣瓶使用性能的影響是毋

6、庸置疑的?；趫A形四步法三維編織工藝及上述理論分析，提出了三維編織復(fù)合材料高壓儲氣瓶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，為氣瓶在CNG汽車工業(yè)中的應(yīng)用提供了重要的技術(shù)保證。 分別用解析法和有限元方法，首次對三維編織復(fù)合材料高速飛輪進(jìn)行了動力學(xué)分析和固有頻率的計算，給出了飛輪極限轉(zhuǎn)速和固有頻率的理論計算公式。由于三維編織復(fù)合材料構(gòu)件具有極高的比強度和比模量，因此三維編織飛輪能夠在保證強度的前提下，大幅度地提高飛輪的極限轉(zhuǎn)速，并具有極高的固有頻