关键词:
三维编织复合材料
铺层混杂
跨尺度有限元方法
有效弹性性能预测
界面应力
摘要:
三维编织复合材料因其优异的力学性能与近净成型特性,广泛应用于航空航天等领域。由于三维编织结构在空间上的构型极为复杂,为了便于研究在进行模型构建时常会对纱线路径进行以直代曲的简化,或对不同区域的编织纱采用不同参数设置。随着力学研究的深入和应用领域的扩展,对于精确反映空间构型和工艺特征的几何模型需求日趋迫切,目前常用的方法以难于满足需要。同时,通过混杂的形式可以使三维编织复合材料在单一材料难以满足应用条件的复杂环境下得以使用,大大扩展其应用领域和范围。虽然三维编织复合材料可以通过多种不同形式实现混杂,但目前相关研究大多是通过试验形式开展,缺乏有效理论指导混杂三维编织复合材料的设计,限制了其进一步发展和应用。为了解决这些问题,本文围绕四步法编织工艺特征,构建跨尺度几何模型,探究材料力学性能,并拓展至铺层混杂复合材料混杂界面应力的优化设计,主要研究内容如下:
首先,基于携纱器整体运动规律和边界停动现象,提出一种融合三次B样条曲线优化的纱线路径拟合方法,解决了传统模型无法反映真实编织工艺特征及整体-局部关联性不足的问题。引入八边形截面及变尺寸系数,实现了不干涉、可拼装的代表性体积单元(RVE)建立。通过CATIA软件建立参数化细观模型,并推导了纤维体积含量计算公式,为跨尺度力学分析提供基础支撑。
其次,采用跨尺度有限元方法,结合周期性边界条件与Hyper Mesh网格划分技术,预测表观测量编织角和纤维体积含量对三维编织复合材料的有效弹性参数的影响规律。研究表明:表观测量编织角的增大会导致轴向拉伸模量近乎线性下降,而横向剪切模量显著提升;纤维体积含量的增加可增强各向模量,但其敏感性随表观测量编织角增大而降低;当表观测量编织角大于40°时,编织纱在小形变下的取向伸直会成为影响轴向模量的主要因素之一。通过碳纤维与芳纶纤维试样拉伸试验验证,模型预测误差均小于7%,证明了方法的可靠性。
进一步地,针对铺层混杂复合材料,提出基于经典层合板理论的数值方法和基于层合与分区的宏观均质模型的有限元模拟方法进行拉伸模量预测,制备碳纤维/芳纶纤维共固化试样进行试验验证。基于宏细观模型开展有限元模拟,分析三维编织结构在轴向拉伸过程中对混杂界面应力的影响。结果表明:合理调控编织角与纤维体积含量可使混杂界面应力分布更均匀,三维编织结构通过弱化泊松比差异引起的拉伸-弯曲耦合效应,显著改善混杂界面处的应力集中现象。
通过以上研究,本研究成功构建了三维编织复合材料的不干涉可拼装参数化模型,解决了传统模型干涉与尺度割裂问题,揭示了三维编织结构在铺层混杂材料中对混杂界面应力的调控机制,为高性能混杂复合材料设计提供了理论依据。