三维编织复合材料的力学性能研究

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雅宝题库解析：
三维编织复合材料作为一种新型先进的复合材料，由于其优越的性能，在国内外得到迅速发展，被广泛应用于各种高科技领域，如航空、航天、汽车、医疗卫生、运动等领域，因而受到工业界及学术界的广泛关注，逐渐成为复合材料研究领域的一个热门方向。本文通过分析传统编织复合材料力学性能的缺陷，提出三维全五向编织复合材料这种新的编织结构，能够很好地克服现有编织结构存在的缺陷和不足。在此基础上，针对三维全五向编织复合材料，从编织工艺、细观结构模型、力学性能预测和相关实验等几个方面进行了系统研究，主要工作和创新包括以下几个方面：1.        通过对传统三维编织复合材料的优势和不足进行深入分析，指出影响编织复合材料大范围推广应用的障碍，特别针对现有三维五向编织复合材料力学性能上的缺陷，从材料设计学角度提出改进途径，给出三维全五向编织复合材料的概念，指出该材料的优势及其对结构性能可能的改善和应用领域扩展。2.        从三维全五向编织复合材料的编织工艺入手，总结其编织过程中携纱器的运动规律，得到三维全五向编织预成型件纱线的空间运动规律，以此为基础将预成形件划分为内部、表面和棱角区域，并创建相应的织物纱线构造模型。根据织物内部纱线的挤紧状态，在假设编织纱横截面形状为六边形，轴纱为正方形的基础上，建立编织工艺参数与几何尺结构参数之间的数学关系，讨论纤维体积含量随编织工艺参数的变化情况，为后继的算法设计提供理论基础。3.        以三维全五向编织复合材料的代表性体积单元——单胞作为研究对象，建立该材料的力学模型。将编织复合材料中相同走向的纤维束视为单向复合材料，计算得到各单向纤维束沿轴向的弹性常数，再将具有不同材料主向的纤维束的刚度通过体积加权平均，得到三维全五向编织复合材料的整体刚度矩阵；然后，基于单胞力学分析模型，设定合理的边界条件，采用有限元方法计算得到材料的有效弹性性能，预测出全五向编织复合材料的有效弹性模量，并与五向编织复合材料的相应结果进行比较，分析编织角和纤维体积含量对材料弹性性能的影响规律。4.        基于三维全五向编织复合材料细观结构模型，采用细观力学的分析方法与有限元技术相结合，引入周期性位移边界条件，确定出单胞内各组分材料（纤维束和基体）在简单工况载荷作用下的细观应力分布及变形，在此基础上，采用位移增量法通过非线性有限元分析，分别对纤维束及基体利用Tsai-Wu准则及Misses准则判断单元的损伤情况，基于对三维编织复合材料破坏机理的探索，提出适合于三维编织复合材料的细观强度失效准则，预测了三维编织复合材料的拉伸强度性能，分析了编织角对纤维束拉伸强度的影响。5.        通过对由RTM工艺合成的三维全五向、五向及四向编织试样进行拉伸、压缩和弯曲等基本力学性能试验，系统地研究编织复合材料的基本力学性能、应力—应变曲线特性、损伤演化及破坏特征，从宏细观角度研究编织复合材料的力学行为，分析得到编织复合材料的力学性能随编织工艺参数的变化规律，并通过对试件断口的观察分析材料的变形及其破坏机理。6.        针对实际工程需要，通过对三维编织复合材料法兰进行简单的力学性能试验，并与传统的金属法兰进行比较，探讨编织复合材料法兰替代金属法兰的可能性，以便进一步提高结构中复合材料的比例，降低结构重量，更好地发挥复合材料的优势。总之，本文通过全面系统地对三维全五向编织复合材料力学性能进行研究，为该类材料的工艺选择、性能设计、结构优化等奠定了基础，推动了三维编织复合材料在工程领域的进一步应用。