三维机织回转体复合材料的细观结构及力学分析

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三维机织复合材料是利用机织加工方法将多个系统的纱线连成空间网状结构,然后在一定条件下与基体复合而得到的高性能复合材料。该种材料具有良好的结构设计性、优越的机械性能、较高的性价比和很强的仿形能力。因此,三维机织复合材料作为一种结构材料受到广泛的关注,并已在航空、航天、生物医学工程以及汽车工业等领域得到了广泛的应用。回转体结构作为最常用的工程结构之一,其力学性能也受到了学者们的普遍关注,为了更加有效的设计和使用三维回转体机织复合材料,需对它们的真实细观结构和力学性能进行深入的研究。本文对三维机织回转体复合材料展开研究,以圆管为例提出了一种新的单胞划分方法,并建立其细观几何模型和有限元模型。根据所建立的模型采用刚度平均法和有限元法预测了其力学性能,并与实验数据进行了对比分析。主要研究内容可分为以下三个部分:第一、建立了一种新的三维机织圆管复合材料力学模型,用体积平均化方法分析三维机织圆管复合材料的弹性性能。并与实验结果进行了对比,验证了模型和分析方法的合理性。第二、建立了三维机织圆管复合材料单胞的有限元模型,并使用周期性边界条件以保证单胞边界面的应力连续和位移连续。采用最大主应力准则判断材料失效,通过用户自定义材料(User-defined material, UMAT)子程序实现损伤单元的刚度折减,模拟了拉伸和压缩两种工况的损伤过程。第三、研究了纺织回转体复合材料的RTM成型工艺,设计了一套用于回转体复合材料的成型模具,并结合改进的螺旋式树脂注射装置,制备了符合要求的回转体复合材料试验件并进行了拉伸、压缩和扭转实验。
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