三維整體編織C-C復合材料預制體結構仿真與彈性性能預測.pdf

1、三維整體編織C/C復合材料具有一系列優(yōu)異物理特征和力學性能，如優(yōu)異的高溫特性、抗分層/沖擊損傷能力強、垂直方向強度高、開裂不敏感和損傷擴展慢等，這些優(yōu)良品質主要依靠預制體的細觀結構和碳纖維/基體的力學性能和物理特性獲得。但是三維整體編織C/C復合材料的CVI致密化特點導致材料的制備周期長、生產效率低、試驗費用高，從而限制了它的發(fā)展和推廣使用。為降低成本，縮短工藝參數優(yōu)化的周期，本論文采用計算機模擬技術，從纖維束空間形態(tài)、相互交織和擠壓變

2、形等方面對不同編織參數的預制體結構及其孔隙的分布進行模擬分析，建立了適于預測三維整體編織C/C復合材料的力學模型，并對不同編織參數的三維整體編織C/C復合材料的彈性模量進行預測。主要內容包括： 分析了四步編織法的纖維束攜帶器運動規(guī)律、纖維束的空間走向及其截面變形，建立了主體纖維束排列方式、編織角、纖維體積百分數及填充系數間的關系。 提出了纖維束單胞模型，用橢圓形簡化纖維束單胞截面，用直線描述纖維束單胞軸線在預制體內部的空

3、間形態(tài)，用螺旋線描述其在預制體表面和邊角的空間形態(tài)。在此基礎上分析了主體纖維束數、填充系數、纖維體積百分數與編織角間的相互影響規(guī)律。 借助于VC++和Solidworks軟件，實現了任意主體纖維束組合、不同編織參數編織的預制體和纖維束間的孔隙實體的模擬。使復雜的預制體內部微結構、孔隙分布、形狀和大小可視化；計算了纖維束間孔隙的體積、表面積。結合束間孔隙單位體積表面積與纖維體積百分數、編織角的變化曲線，分析了束內束間孔隙的形狀、大

4、小隨編織參數的變化規(guī)律及其機理。 建立了保證纖維束連續(xù)性，考慮空間纖維束彎曲和截面變形的纖維束單胞力學模型。推導了三維整體編織復合材料的總剛度矩陣，建立了三維整體編織復合材料彈性性能常數的分析模型。 對不同編織參數的三維整體編織C/C復合材料進行彎曲力學性能試驗，同時研究了編織參數與纖維連續(xù)性對三維整體編織C/C復合材料的彎曲力學性能的影響。試驗研究表明，在一定的體積百分數下，隨編織角增加，材料的彎曲模量與彎曲強度隨著編