圆管状三维编织复合材料多尺度耦合分析

复合材料的多尺度模拟与分析在当今科技飞速发展的时代，复合材料因其卓越的性能在众多领域得到了广泛应用，从航空航天到汽车制造，从生物医学到电子设备，无处不在。

为了更深入地理解和优化复合材料的性能，多尺度模拟与分析技术应运而生，成为了材料科学研究中的重要手段。

复合材料通常由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组成，这些不同的组分在微观尺度上相互作用，共同决定了复合材料的宏观性能。

然而，要准确预测和理解复合材料的性能，仅仅依靠实验研究是远远不够的。

实验研究往往受到时间、成本和技术限制，而且无法直接观察到材料内部在不同尺度下的微观结构和物理过程。

这就需要借助多尺度模拟与分析技术，从原子、分子水平到微观结构，再到宏观尺度，全面深入地研究复合材料的性能。

在原子和分子尺度上，量子力学模拟方法如密度泛函理论（DFT）等被用于研究复合材料中原子之间的化学键合、电子结构和相互作用。

通过这些模拟，可以了解材料的基本物理性质，如电学、光学和磁学性能等，为设计具有特定功能的复合材料提供理论基础。

当研究范围扩大到纳米和微米尺度时，分子动力学（MD）模拟和蒙特卡罗（MC）方法就发挥了重要作用。

分子动力学模拟可以追踪原子和分子在一定时间内的运动轨迹，从而研究材料的热性能、力学性能和扩散过程等。

蒙特卡罗方法则适用于研究材料中的随机过程，如晶体生长、相变等。

在微观尺度上，有限元分析（FEA）和有限差分法（FDM）是常用的模拟方法。

这些方法可以建立复合材料的微观结构模型，如纤维增强复合材料中的纤维分布、基体与纤维的界面结合等，并计算其力学性能，如强度、刚度和韧性等。

通过微观尺度的模拟，可以优化复合材料的微观结构，提高其性能。

而在宏观尺度上，基于连续介质力学的理论和方法，如均匀化理论和等效介质理论等，可以将微观结构的性能等效地转化为宏观材料参数，从而预测复合材料在宏观尺度上的行为。

例如，在结构设计中，可以通过宏观尺度的模拟预测复合材料结构在受力情况下的变形、应力分布和失效模式等。

的有限元分析手段也被引入到编织复合材料的性能研究中。 由于编织复合材料细观结构非常复杂，所以常用的处理方法 为先简化复合材料的细观结构，再结合有限元方法对力学性 能进行分析和预测。HAO 等[41]基于三胞模型研究了三维四 向编织复合材料的拉-拉疲劳行为，使用 ABAQUS 建立不同 编织角和纤维含量的单胞模型，分析了疲劳加载方向对疲劳 损伤进程的影响，并且讨论了单胞模型结构参数对疲劳行为 的影响，结果表明，平行于编织方向疲劳行为优于垂直方向； 沿着编织方向，疲劳寿命随编织角增大而减小；纤维体积含 量与疲劳寿命正相关。
国内外在近 30 年内对三维编织复合材料的细观结构与 观力学性能之间的关系进行了研究和探索 取得了一些突出 的成就 并逐渐发展成力学和材料领域的一个热门研究方 向。在试验方面，自 20 世纪 80 年代起，MACANDER 等[3] 就对三维编织复合材料的拉压剪弯等典型静态力学性能进 行了系统的试验研究；KALIDINDI 等[4]研究了纤维体积含量 和编织角对材料力学性能的影响；SHIVAKUMAR 等[5]进一 步揭示了三维编织复合材料的压缩强度和失效机制。关于三 维编织复合材料冲击力学行为和断裂形态随应变率的变化 趋势也有相关报道[6-7]。
科技与创新┃Science and Technology & Innovation
文章编号：2095－6835（2021）13－0108－06
2021 年 第 13 期
三维编织复合材料力学性能研究进展
吴亚波，江小州，刘 帅，袁 航，张尧毅，惠永博，侯荣彬
（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610056）
国内也不乏试验研究三维编织复合材料力学性能的相 关报道。张迪等[29]对比研究三维多向编织和层合板复合材料 的力学性能。四种三维多向编织结构分别利用三维四向、三 维五向、三维六向和三维七向编织工艺制备；三种层合复合 材料利用帘子布制成，分别为 0°单向板、90°单向板和层合 板［0 /（ ± 45）2 /90］2s。同时进行拉伸、压缩和剪切试 验。结果表明与三维编织试样相比，0°单向板的拉伸和压缩 性能最高，而其他层合试样的各项性能均较低；对于编织试 样，编织角越小，纵向拉伸和压缩性能越高，剪切性能越低； 发现编织结构和编织角是影响材料破坏模式的重要因素。李 翠敏等[30]研究了三维编织碳纤维复合材料的剪切性能，结果 表明，三维五向较三维四向编织复合材料剪切性能好；三维 编织复合材料剪切强度沿长度方向随着编织角的减小而增 加；切边三维编织复合材料试件受剪切破坏时在加载点附近 侧表面裂缝沿纱线走向分布，上下两表面发生弯曲破坏。李 苏红等[31]试验分析评价了编织结构参数对复合材料拉伸性 能的影响，且对复合材料的破坏模式进行了研究。实验结果 表明，编织角、复合材料尺寸、纤维体积含量、轴向纱数与 编织纱数之比等对复合材料的性能有较大的影响，复合材料 有两种破坏模式，一种是裂纹沿纤维束扩展，另一种是纤维 束拉断，后者为主要破坏模式。 2 三维编织复合材料力学性能的理论研究 2.1 几何模型和力学模型

何国威、白以龙中国科学院力学研究所，非线性力学国家重点实验室多尺度力学是当代科学技术发展的需求和前沿。

在生物科学，材料科学，化学科学和流体力学中，许多重要问题的本质都表现为多尺度，它们涉及从分子尺度到连续介质尺度上不同物理机制的耦合和关联。

例如，在生物和化学科学里，在分子尺度上的不同性态产生了生物体尺度上的复杂现象；在固体破坏中，不同尺度的微损伤相互作用产生更大尺度上的裂纹导致材料破坏；在流体力学中，不同时空尺度的涡相互作用构成复杂的流动图案。

这些问题的共同特点是不同尺度上物理机制的耦合和关联。

只考虑单个尺度上某个物理机制，不可能描述整个系统的复杂现象。

因此，多尺度力学的核心问题是多过程耦合和跨尺度关联。

多尺度力学是传统的针对多尺度问题研究的发展，但有着本质的不同。

它们都研究不能通过解耦进行求解的多尺度耦合问题。

但是，传统的多尺度问题具有相似性或弱耦合，即：不同尺度上的物理过程具有相似性，因此我们可以求相似解；或者，不同尺度上的物理过程具有弱耦合，因此我们可以采用平均法求解。

然而，多尺度力学的研究对象具有多样性和强耦合，即：不同尺度上的物理过程既不具有相似性，耦合也不再是弱的了。

因此，传统的相似解和平均法对多尺度力学的问题都不适用。

动力系统理论和统计力学为多尺度现象的研究提供了基本方法。

在一个给定尺度上的物理过程可以用动力学方程描述，而动力学方程的建立主要依赖于经典力学和量子力学。

问题的关键在于不同尺度上物理过程的相互耦合。

如果可以忽略耦合，单个尺度上的物理过程完全可以由经典力学或量子力学描述，剩下的就是类似于解方程那样的认识过程，原则上并不是什么困难的事情。

在平衡态统计物理里，不同尺度之间物理过程耦合的基本假设是基于等概率原理的统计平均。

但是，大多数多尺度问题涉及统计力学中非平衡态的非线性演化过程，不同的尺度之间存在强耦合或敏感耦合，不能简单地采用绝热近似、统计平均以及微扰等方法处理，而必须将不同尺度耦合求解。

复合材料的多尺度分析引言复合材料是由两种或更多种材料组合而成的材料，具备良好的机械性能、化学稳定性和热稳定性等特性。

然而，复合材料的复杂结构和多尺度特性使得其性能预测和优化变得非常困难。

针对这一问题，多尺度分析成为了复合材料领域的重要研究方向。

多尺度分析可以将复合材料的结构和性能在不同尺度上进行建模和研究，从而提高对其性能的理解和控制能力。

多尺度分析的基本原理多尺度分析是一种将宏观结构性质与微观结构特征相耦合的方法。

它通过将复合材料划分为宏观尺度、中观尺度和微观尺度，并在不同尺度上进行逐层分析和建模，以实现多尺度特性的全面分析。

宏观尺度分析宏观尺度分析关注复合材料整体的宏观性能，例如强度、刚度和热膨胀系数等。

在宏观尺度上，可以通过有限元分析等数值方法建立复合材料的宏观模型，从而预测其整体性能。

中观尺度分析中观尺度分析考虑复合材料中的细观结构特征，例如纤维与基体之间的界面、纤维的方向和分布等。

在中观尺度上，可以使用计算力学或统计学方法对复合材料的细观结构进行建模和分析，以揭示细观结构对复合材料性能的影响。

微观尺度分析微观尺度分析关注复合材料中的单个纤维和基体的性质，例如纤维的力学性能和基体的化学性质。

在微观尺度上，可以使用分子动力学模拟和量子力学计算等方法对复合材料的微观结构和力学性能进行研究。

多尺度分析的应用多尺度分析在复合材料领域有着广泛的应用。

以下是一些典型的应用案例：复合材料强度预测通过多尺度分析，可以揭示复合材料中宏观结构、中观结构和微观结构之间的相互作用，从而预测其强度。

例如，通过建立宏观模型和微观模型，可以计算复合材料的应力分布和损伤演化，从而预测其在不同加载条件下的破坏强度。

复合材料优化设计多尺度分析可以帮助优化复合材料的设计。

通过在不同尺度上进行分析和模拟，可以评估不同结构和成分对复合材料性能的影响，并寻找最佳的设计方案。

例如，在微观尺度上优化纤维的取向和分布，可以提高复合材料的强度和韧性。

ｒｒ ｓ ｉ ｎｗ ｔ ｏｄ ｒ ） ｗ ｅｅ８ｉ ｔｅｓ ｅｏ ｌ ｐｒ ｄ ｏ ｖ ｉ ｒｅ ｉｇ ｅ ｈ ０（ ， ｈｒ ｉ ｆ ｍａ ｅ ｏ ． ｓ ｈ ｚ ｓ ｌ ｉ
［ ｙｗｏｄ ］ ｍ ｌ—ｃｌ ａａ ｓ ｔｏ ； ｄｎｍｉ ｃｕｌ ｈｒ ｏｌｓｃｙｐｏｌ ｃｍｐｓｅ Ｋｅ ｒｓ ｕｔｓａｅ ｎｌ ｉｍｅ ｄ ｉ ｙｓ ｈ ｙａ ｃ ｏｐｅ ｔｅｍ ｅ ｔｉ ｒｂｅ ｄ ａ ｉｔ ｍ； ｏ ｏｉ ｔ
复 合 材 料 耦 合 热 弹 性 问题 的 多 尺 度 方 法
万建 军 肖留超 刘鸣放 ， ，
（ ．郑州大学 数学系 ， １ 河南 郑州 ４０ ０ ； ．河南 工业大学 理学 院，河南 郑 州 ４０ ０ ； ５０１ ２ ５ ０ １
３ 河南大学 数学与信息科学学 院， ． 河南 开封 ４５０ ） ７００
荡 的 函数 ， 则温 度场 和 位移 场 及 其 导数 也 具有 局 部 振荡 的特 性．相 对单 场 问题 ， 场 耦 合 问题 需 考 虑 多 多 场之 间的耦合 效 果 ， 在数 学 处 理上 将 带来 复 杂 这 性 ．此 外 ， 要 发 展 出能够 有 效 捕 捉 温 度场 和位 也需
［ 摘 要］ 考虑周期复合材料耦合热弹性问题 ， 问题含有瞬态位移场的动态热弹性方程和瞬态温度场 的动态热 此
传导 方程 ， 在求解时需考虑 动态耦合 的温度场和位移场．用 构造性的多尺度 分析方法定义 了周期 复合材料瞬态耦 合热 弹性 问题 的一 阶多尺度渐近解 ， 并证 明了此多尺度渐近解 的逼近阶为 ０（ ） ｓ．
［ ｂｔａｔ Ｔ ｅｕｌ ｄｎｍｃｃｕｌｄｔｅｍ ｅ ｓｅｙｐｏｌｍｆｒ ｅｉ ｉ ｃｍ ｏｉ ｓｓｔｄｅ．Ｔ ｅ Ａ ｓ ｃ］ ｈ ｌ ｙａ ｉ ｏｐｅ ｒｏｌ ｔｉ ｒｂｅ ｒ ｄｃ ｏ ｐｓｅ ｕ ｉ ｒ ｆ ｙ ｈ ａ ｉｔ ｏｐ ｏ ｔ ｉｓｓ ａｅ ａ ｙ ｔ ｔ ｏ ｕ ｉｎ ｏ ｅ ｐ ｏ ｌ ｍ ｓｄ ｒ ｅ ｙ ｃ ｎ ｔ ｃｉｅ ｗａ ． Ｉ ｄ ｉ ｏ ｈ ｅ ｎ — ｒ ｅ ｌ —ｃ ｌ ｓ ｍｐ ｏ ｉ ｓ ｌ ｔ ｆｔ ｒ ｂ ｅ ｉ ｅ ｖ ｄ ｂ ｏ ｓ ｕ ｔ ｙ ｎ ａ ｄ ｔ ｎ，ｔ ｉ ｃ ｏ ｈ ｉ ｒ ｖ ｉ

四步法三维编织复合材料力学性能的有限元分析本文提出了一种新的单胞模型，并采用有限元法分析了三维编织复合材料的力学性能。

本文给出了一种三维编织预制件的纱线编织结构的分析方法，得出了编织纱线的运动规律。

编织纱线由携纱器携带，沿携纱器的运动趋势线方向运动。

采用最小二乘法分段对携纱器的相关运动位置点进行拟合，得到编织过程中纱线的空间运动规律，在此基础上，获得的预制件结构的单胞模型，包含内部单胞，表面单胞和棱角单胞。

单胞的取向平行于预制件的表面。

并建立了编织工艺参数和几何结构参数的关系，通过实验验证，证明了工艺参数和几何结构参数之间关系的正确性。

本文在上述几何模型的基础上，建立了有限元的分析模型并进行数值计算来预报三维编织复合材料的弹性模量。

对于三维编织复合材料来说，其划分的单元内既含有基体材料又含有纤维束材料，而且两种材料间还存在界面。

对于这类单元难以用通常的有限元方法进行分析。

因此本文提出了一种新的离散单元模型，将细观单胞作为离散单元对三维编织复合材料进行宏观网格剖分，然后对细观单元进行分析。

根据结构单胞模型，将长方体单胞理想化为加强筋单元，即由一个各向同性弹性基体材料长方体和不同取向具有单轴刚度的纤维单元叠加而成。

并推导了加强筋单元的刚度矩阵，在给定的边界条件下，得出三维编织复合材料的模量。

通过相应软件的编制，使得只要输入相应的编织工艺参数，便可快速，及时准确的做出预报。

并进行了实验验证，预测结果和实验结果吻合较好，证实了三维编织复合材料弹性模量预报的精确性。

三维五向编织复合材料细观结构及工艺分析本文采用高清晰度CCD显微摄像仪和控制体积法相结合的方法系统地分析了三维五向编织复合材料的细观结构，并给出了三维五向编织复合材料的设计步骤。

首先采用高清晰度CCD显微摄像仪获取了树脂基三维五向编织复合材料的一系列截面图像，通过对这一系列截面图像的观察分析，确定了编织复合材料内纱线的排列规律、真实走向以及截面形状的变化；然后采用控制体积法，按照三维五向编织携纱器的运动规律，系统地研究了四步法1×1方型编织工艺的三维五向编织预制件，进而分析得出了预制件的单胞结构。

根据采集得到的截面图像，将这两者相结合，建立了三维五向细观结构与编织工艺参数之间的关系，并对编织纱和轴纱粗细比例变化时编织纱截面形状进行了分析讨论。

通过计算复合材料的纤维体积含量、花节长度、花节宽度、外形尺寸等参数，验证了所建立的细观结构模型是可行性的。

最后，根据所建立的复合材料编织结构参数和工艺参数之间的关系，分析了三维编织物的几何参数对复合材料的纤维体积含量、花节长度、花节宽度、外形尺寸等的影响，并给出了三维五向编织复合材料的工艺设计步骤。

通过本文的研究，建立了三维五向编织复合材料细观结构模型，为该类材料的工艺选择、性能设计、结构优化等奠定了基础，推动三维编织复合材料在航空航天领域的进一步应用。

下纬 纱螺 旋角 都 很 小 ， 以使 组 织 更 为 紧 密 。相 比而
言 ， 幅机织 物 的纬 纱通 常沿 水 平 方 向分段 引入 织 平 口。图 １为平 幅机 织法 与 圆织法 制成织 物 的 ２种 面
成 型设 备 。采用 该 方 法 ， 编 制 过 程 中 由于每 根 纱 在
线 的运 动都 需要 １个 载 纱 器携 带 完 成 ， 以在 编 织 所 大 型结 构件 时 ， 要 载 纱 器 的数 量 庞 大 ， 耗 大 ， 需 能 运
立 体 机 织 方 法 主要 适 用 于 织 造 各 类 矩 形 截 面 （ Ｌ形 、 等 ） 如 Ｔ形 的平 幅立 体 织 物 。在 采 用 一 定 的开 口原 理 时 ， 幅 立 体 机织 方 法 也 可 以获 得 中空 平 的管 状织 物 ， 但这 类 方 法在 获 得 管 状 织 物 的 过 程 中会使 织 物产 生 明显 的折 痕 ， 折 痕 处 纬 纱 的 纱 线 且
（ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｒ ｓａｃ ｅ ｔｒｏ Ａ ｖ ｎｅ ｅｔ ｅＭａ ｈｎｒ Ｅ ｇ ｎｅｉ ｅｅｒｈ Ｃ ｎｅ ｄ ａ ｃｄ Ｔｘｉ ｃ ｉｅｙ，Ｍｉｉｔ ｄ ｃｔ ｎ， ｎ ｆ ｌ ｎｓ ｙｏ Ｅ ｕ ａｉ ｒｆ ｏ
Ｄｏ ｇ ｕ ｎｖｒｉ ，Ｓ ａ ｇ ａ ２ １ ２ ｎ ｈ ａ Ｕ ｉｅｓｔ ｙ ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ０，Ｃ ｉａ ６ ｈｎ ）
经 纱 开 口运 动 规 律 的 情 况 下 实 现 经 纱 在 厚 度 方 向 上 的 分 层 和 连 接 。 整 个 织 造 过 程 中能 实 现 经 纱 的 连续 供 给 ， 需 只 定 期 更 换 纬 纱 和 垂 纱 ， 而 达 到 连 续 化 生 产 的 目的 。 从
关 键 词 立 体 管 状 织 物 ； 维 圆织 法 ；垂 纱 ； 向垂 纱 法 三 纬

三维编织复合材料开孔前后剪切性能的开题报告一、研究背景在航空航天、航海、交通等领域，复合材料的应用越来越广泛。

其中，三维编织复合材料是一种新型的复合材料，由于其独特的结构和性能，已经成为当前研究的热点。

同时，由于应用条件的限制，三维编织复合材料在使用过程中往往需要进行钻孔或剪切等加工操作。

在这种情况下，开孔会导致复合材料的剪切性能发生改变，严重的话甚至会导致复合材料的损伤和破坏。

因此，在实际工程应用中，需要对开孔前后复合材料的剪切性能进行测试和研究，为更好地应用三维编织复合材料提供理论和实验依据。

二、研究目的本研究旨在探究三维编织复合材料开孔前后的剪切性能的变化规律，从而为三维编织复合材料的实际应用提供科学依据。

具体研究目标如下：1. 研究开孔对三维编织复合材料剪切强度的影响。

2. 探究开孔对三维编织复合材料应变率的影响。

3. 研究不同开孔形状对三维编织复合材料剪切性能的影响。

4. 分析开孔前后三维编织复合材料内部结构的变化。

三、研究内容和方法1. 样品制备采用手工编织法制备三维编织复合材料。

在制备过程中，控制编织方式、编织密度、编织方向等参数，使得样品具有一定的组织结构和力学性能。

2. 开孔实验在三维编织复合材料上进行开孔实验，通过控制开孔形状、大小和位置等参数，制备不同类型的开孔样品。

开孔后，记录样品的长度、宽度、厚度等信息。

3. 剪切实验利用万能试验机对不同条件下的三维编织复合材料进行剪切实验，记录剪切力、剪切位移和剪切应变等信息。

4. 成像分析通过扫描电子显微镜和光学显微镜等方法，对开孔前后样品的内部结构和形貌进行成像分析，探究剪切性能改变的原因。

四、预期成果和意义本研究将探究三维编织复合材料开孔前后剪切性能的相关规律，预计能够得到如下成果：1. 揭示开孔对三维编织复合材料剪切强度和应变率的影响规律。

2. 探究不同开孔形状对三维编织复合材料剪切性能的影响。

3. 分析开孔前后三维编织复合材料内部结构的变化。

多尺度流体力学研究中的模型耦合分析引言多尺度流体力学研究中的模型耦合分析是近年来流体力学研究领域的热点和难点之一。

随着计算机技术的不断发展和算法的不断优化，研究人员可以通过将不同尺度的模型进行耦合，来模拟复杂的流体现象。

本文将对多尺度流体力学研究中的模型耦合分析进行探讨，包括模型耦合的基本原理、常用的模型耦合方法以及模型耦合的应用和前景等方面。

模型耦合的基本原理在多尺度流体力学研究中，单一的模型往往不能满足复杂流体现象的模拟需求。

因此，研究人员通常会将多个不同尺度的模型进行耦合，以得到更准确、更全面的流体场描述。

模型耦合的基本原理可以归结为以下几个要点：1.尺度转换：不同尺度的模型通常基于不同的理论和假设，因此需要进行尺度转换。

这可以通过引入缩放参数或采用多尺度分析方法来实现，以保证不同尺度模型之间的一致性和相容性。

2.数据传递：模型耦合需要传递不同尺度模型之间的数据，包括边界条件、初始条件以及耦合时的临时变量等。

这要求研究人员设计有效的数据传递算法和接口，以保证数据的准确性和高效性。

3.解耦合策略：在模型耦合中，各个子模型之间通常会相互影响，因此需要设计合理的解耦合策略。

这可以通过迭代求解、松弛系数调节或者迭代加权等方法来实现，以保证模型之间的相互协调性和收敛性。

常用的模型耦合方法在多尺度流体力学研究中，有多种常见的模型耦合方法可供选择。

下面介绍几种常见的模型耦合方法及其特点：1.预处理方法：预处理方法将不同尺度的模型分别求解，然后通过一定的算法进行数据处理和耦合。

这种方法的优点是能够灵活地处理不同尺度模型的耦合问题，但也存在计算量大、算法复杂等问题。

2.子区域方法：子区域方法将整个模型区域划分为多个子区域，分别求解，并通过边界条件耦合。

这种方法的优点是具有较高的可扩展性和计算效率，但对于流体现象的局域性较差。

3.嵌套网格方法：嵌套网格方法将不同尺度的网格嵌套在一起，通过网格之间的相互连接实现模型的耦合。

2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
科研热词 复合材料 三维机织 结构参数 纺织几何学 纤维体积分数 管状复合材料 机织 弹性模量 实验 力学模型 切片观测 几何模型 三维正交机织 kevlar
推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2014年 科研热词 织物结构 织物增强复合材料 纺织复合材料 有限元分析 弹性常数 多维多向 冲击性能 低速冲击 代表性体积单元 推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
科研热词 推荐指数 芳纶纤维 1 纺织复合材料 1 玄武岩纤维 1 混杂复合材料 1 横向冲击 1 损伤 1 拉伸性能 1 应变率 1 平面机织 1 多尺度耦合分析 1 复合材料 1 周期性边界条件 1 周期性单胞 1 剪切性能 1 刚度折减 1 分离式hopkinson压杆 1 三维正交机织物 1 三维多重纬经角联锁织物 1
2011年 序号 1 2 3 4
2011年 科研热词 损伤演变 圆管结构 力学模型 三维机织复合材料 推荐指数 1 1 1 1
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
科研热词 非线性黏弹性 碳/碳复合材料 破坏机制 本构方程 损伤 复合材料 双轴压缩 力学行为 三维正交机织玻璃纤维 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

碳纤维增强编织复合材料圆管制备及其压缩性能谷元慧;张典堂;贾明皓;钱坤【摘要】为进一步探究编织结构与长度对复合材料圆管压缩性能的影响,采用树脂传递模塑成型工艺复合二维编织铺层与三维四向编织圆管,通过轴向准静态压缩试验获取了4种复合材料圆管试样的压缩力学行为.结合高速摄影记录,分析了编织复合材料圆管的破坏过程及失效模式,探索其压缩失效机制.结果显示:试样均表现出弹塑性特征,但三维编织圆管呈现出更好的压缩承载特性,其压缩模量与载荷峰值分别达到5.91 GPa与14.23 kN;试样呈现出纤维断裂、基体开裂脱黏、瓣状破坏、剪切以及挤压屈曲等破坏模式中的几种或全部的组合;二维编织复合材料圆管的渐进失效特征更为明显,具有较好的吸能特性,且其压缩模量随管件长度的增加而有所提升,但是吸能效果与试样长度呈非线性关系.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2019(040)007【总页数】7页(P71-77)【关键词】树脂传递模塑成型;编织复合材料;压缩试验;破坏模式;吸能特性【作者】谷元慧;张典堂;贾明皓;钱坤【作者单位】生态纺织教育部重点实验室(江南大学) ,江苏无锡 214122;生态纺织教育部重点实验室(江南大学) ,江苏无锡 214122;安徽省高等学校纺织面料重点实验室,安徽芜湖 241000;生态纺织教育部重点实验室(江南大学) ,江苏无锡 214122;生态纺织教育部重点实验室(江南大学) ,江苏无锡 214122【正文语种】中文【中图分类】TB332碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种先进的新型材料，因其相比传统的金属材料具有更高的强度和模量、耐冲击等优异性能以及满足人们对于材料构件轻量化的需求而被广泛应用于军工、航空航天、轮船、汽车等领域[1-3]。

管件是实际工程应用中较为常见的构件之一，利用编织结构制作的复合材料管件不但具有高的损伤容限，其能量吸收能力也远远大于同尺寸规格普通金属吸能装置[4-6]。

《CompositesPartB》：具有空隙缺陷的3D编织复合材料的力学性能预测（翻译整理：蔡雄峰编辑校对：张鑫）在三维编织复合材料的树脂转移成型(RTM)过程中，孔洞是不可避免的缺陷。

事实上，空隙缺陷的大小、类型和含量直接影响三维编织复合材料的力学性能。

由于三维编织结构的多尺度表征和材料本构关系的复杂性，具有缺陷的三维编织复合材料的性能评价一直是一个关键的科学和技术问题。

在RTM过程中，不能保证树脂的流动是理想的。

树脂可能会部分固化，浸润可能不彻底，所以固化后可能会出现体积收缩，导致出现空洞。

由于三维编织复合材料RTM过程中复杂的缺陷表征，对具有空隙缺陷的三维编织复合材料力学性能的研究仍然很少。

关于三维编织复合材料的理论分析和数值模拟大多是基于均匀各向异性材料的，对于几何模型或物理模型都没有考虑缺陷。

清华大学Xuhao Gao（第一作者）,Xuefeng Yao（通讯作者）团队在《Composites Part B》上发表了题为“Prediction of mechanical properties on 3D braided composites with void defects”的文章，在随机统计空隙模型的基础上，建立了具有空隙的三维编织复合材料的刚度矩阵和本构模型。

详细研究了空隙对三维编织复合材料力学性能的影响。

此外，还预测了具有空隙的三维编织复合材料的强度和损伤。

图1给出了三维编织复合材料的RVE（代表性的体积元素）。

图2给出了三维编织复合材料中的随机空隙模型。

图1 三维编织复合材料的RVE（代表性的体积元素）图2 三维编织复合材料中的随机空隙模型基于三维编织复合材料的细观结构，三维编织复合材料在全局坐标系中的刚度矩阵为：坐标变换矩阵：研究者建立了孔隙率与力学参数之间的六阶多项式分数关系，ρ是三维编织复合材料的模量比，v是纤维体积含量。

如下所示：利用RVE介观模型，基于三维Hashin准则，模拟了具有空隙的三维编织复合材料的力学性能。

多尺度复合材料力学研究进展一、本文概述随着科学技术的飞速发展，复合材料作为一种集多种材料优势于一体的新型材料，在航空航天、汽车制造、船舶工程等领域得到了广泛应用。

然而，复合材料的力学行为因其复杂的微观结构和多尺度特性而显得尤为复杂，这就需要对复合材料在不同尺度下的力学行为进行深入的研究。

本文旨在综述近年来多尺度复合材料力学研究的主要进展，探讨复合材料在不同尺度下的力学行为及其相互关系，以期为提高复合材料的性能和应用提供理论支持和技术指导。

文章首先介绍了复合材料的定义、分类及其在各领域的应用背景，阐述了研究多尺度复合材料力学的必要性和重要性。

接着，文章从微观尺度、细观尺度和宏观尺度三个方面，分别综述了复合材料力学行为的研究进展。

在微观尺度上，文章重点介绍了复合材料纤维、基体及界面性能的研究现状；在细观尺度上，文章对复合材料内部结构的形成、演化及其对力学性能的影响进行了详细阐述；在宏观尺度上，文章则对复合材料的整体力学行为、破坏机理及性能优化等方面进行了深入探讨。

文章总结了多尺度复合材料力学研究的主要成果和挑战，并展望了未来的研究方向和应用前景。

通过本文的综述，旨在为广大研究者和工程师提供一个全面、系统的多尺度复合材料力学研究参考，推动复合材料力学领域的进一步发展。

二、多尺度复合材料力学理论基础多尺度复合材料力学是一门跨越多个学科领域的综合性科学，其理论基础涉及材料科学、力学、物理学以及计算机科学等多个方面。

其核心在于理解和分析复合材料在不同尺度下的力学行为，包括微观尺度下的纤维和基体相互作用，细观尺度下的界面效应和损伤演化，以及宏观尺度下的整体结构性能和失效模式。

在微观尺度上，多尺度复合材料力学关注纤维和基体材料的力学性质、界面特性以及它们之间的相互作用。

这些性质包括弹性模量、强度、韧性、断裂能等，它们对复合材料的整体性能有着决定性的影响。

通过原子尺度模拟、分子动力学等方法，可以深入了解材料内部的微观结构和力学行为。

多尺度复合材料力学研究进展
01 引言
03 研究方法 05 结论
目录
02 研究现状 04 研究成果 06 参考内容
引言
复合材料因其优异的性能和广泛的应用而受到全球研究者们的。特别是在现代 社会中，复合材料在航空航天、生物医疗、汽车制造等领域的应用越来越广泛， 因此对于复合材料的研究具有重要意义。多尺度复合材料力学的研究，旨在从 纳米、细观和宏观等多个尺度探究复合材料的力学行为，为其设计和应用提供 理论基础和实验依据。
本次演示旨在探讨颗粒增强金属基复合材料力学性能的多尺度计算模拟方法。 首先，我们将简要介绍颗粒增强金属基复合材料及其力学性能的基本概念，以 便为后续内容的讨论奠定基础。接着，我们将详细阐述多尺度计算模拟在颗粒 增强金属基复合材料力学性能预测中的应用。最后，我们将对多尺度计算模拟 的优缺点进行评估，并探讨未来的研究方向。
研究成果
近年来，多尺度复合材料力学领域的研究取得了众多成果。在纳米尺度方面， 研究者们成功地揭示了纳米纤维、纳米颗粒等增强相与基体之间的相互作用机 制，发现了新的力学性能增强效应。例如，通过在纳米纤维增强复合材料中引 入氧化石墨烯等纳米颗粒，可以有效地提高材料的强度和韧性。
在细观尺度方面，研究者们通过对显微组织、界面等因素对材料力学性能的影 响进行深入研究，发现了细观结构对复合材料力学性能的调控作用。例如，通 过优化细观结构参数，可以显著提高细观复合材料的强度和韧性。
二、多尺度计算模拟在颗粒增强金属基复合材料力学性能预测中的应用
多尺度计算模拟方法具有将微观和宏观尺度相结合的优势，因此在颗粒增强金 属基复合材料力学性能预测中具有广泛的应用前景。在多尺度计算模拟过程中， 我们可以利用微观尺度模型对增强颗粒和基体界面进行详细描述，同时利用宏 观尺度模型对复合材料的整体性能进行评估。

摘 要： 三 维编织复合材料具有 高的 比模 量、 比强度 、 损 伤容限、 剪切强度、 抗冲击损 伤、 耐烧蚀 和耐 高温等优 点 。其 良好 的性 能使得 三维编 织复合材料 能够满足航 空航 天器 、 军工产品、 建筑材料和人造生物材料等的使用要求 。
关键 词 ： 三维编织 ； 材料 ； 纱线 ； 性 能； 装备
目前 ， 纱线在空 间中相互交织 的三维编织技术 在特定 的领 三维编织设备 ， 该设备最大可实现 四万根编织纱线 的编织 。在 域得到了快速发展 。三 维编 织复合 材料是 由三维 编织 织物与 三维编织技术及装备 的研究 过程中 ， 为了解 决三维 编织设备在 基体复合而成 的一种先进的复合材料 ， 它的综合性 能取决于三 织物形状 、 截面大小等 尺寸 变化方 面 的限制 ， 研制 了更 为灵活 维编织材料和基体 的性能 。作 为增 强相 的三维编 织材料 对复 的编织设备 ， 通过对编 织机 进行单 元化 的设 计 ， 从 而解决 了异 合材料整体性能起着决定性作 用 ， 而三维 编织材料 的加 工技术 形织物 的编织 ， 大大的提高了三维编织设备 的工作效率 且降低 是 影响三维编织材料性能的重 要因素。 了编织成本 。上世纪末 ， 天津工业 大学研发 了一种能够 编织 大 三维编织 材料 的几 何形状 和 内部纱 线的密度 都具有 良好 尺寸且结构较为复杂织物 的编织设备 。 的可设计性 ， 通过改变相关 的工艺条件可 以编织出符合不 同要 随着三维编织 复合 材料的应用范 围的不 断扩大 ， 对 三维编 求 的织 物 ， 通过改变三 维编 织材料 的纤维 体积百 分 比， 可 以使 织材料 的细观结构 的研究就显得尤为集 中 ， 为 了更好地 了解 三 得材料 的综合性 能能够 适应 不同要求 。现有 的三维 编织方 法 维编织复合材料的 内部结构及力学性能 ， 三维 编织 材料 的细 观 主要包 括二 步法 、 四步法 、 多 步法等 。其 中发 明较 早且 研究 较 结构研究成 为了一种趋势 ， 国外很 多学者开始 了对 这种新兴 三 多 的是 四步法及 以四步法为基础 的多向编织方法 ， 现代工业 急 维材料的细观结构进行研究 ， 并建立 了相应 的模型 。Ｆ ｒ ａ ｎ ｋ ． Ｋ ｏ 需性能更好 的低成本加工方法 ， 以满 足三维编织 复合材料 的推 首次提 出了“ Ｆ Ｇ Ｍ” 即三维编织 复合 材料单 胞模 型理 论 。Ｗｈ ｉ ｒ — 广应用 以及高 品质要求 ， 新 三维编织 材料加工工艺 的开发研究 ｎ ｅ ｙ 和Ｃ ｈ ｏ ｕ 详 细提出了“ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ －Ｃ ｅ ｌ ｌ ” 即微单 元概念 ， 并成功 的 显得尤为重要 。 将它应用 于编织材料 的分析 。Ｙ ａ ｎ ｇ通过对 １× １四步法编织 的 新 型三维编织 材料 的优 越性 能使得它作 为复合材 料 的增 材料 的研 究 ， 建立 了“ Ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ Ｉ ｎ ｃ ｌ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ” 。针对 三维 五 向 强相 ， 能够 提升复合材料 的性能 ， 使其应用更加广泛 ， 因此对 于 编织法编织 的材料 ， Ｋ ｏ等通 过使 用分 析软 件对 该种 复合材 料 新型三维编织材料的研究 ， 将会为新 型三 维编织材料 和编织工 的力学性能进行 了分 析研 究。针对编 织纱 之间 的关 系 ， Ｍａ等 艺的工业化应用奠定基础 ， 并且对 国民经 济的发展有着 重大 的 建立 了该种材料 的细 观模型 。针 对于使 用三 维六 向法编织 的 意义。兰维编织复合 材料不仅 在航 天军工 ， 而且 在汽 车、 自行 材料 ， 通过 实验的方法 ， Ｘ ｕ等得到 了相关性 能参 数。 车等领域都得到 了广 泛应用 。三维编 织材料 是在 二维编 织 的 国内的研究 也 同样 迅速 ， 针 对应 用 较为 广 泛 的 四步编 织 基 础上发展而来 的 ， 它 的出现很好 地弥补 了二维 编织 的不足 。 法， 吴 德 隆建立 了内部 、 面部 、 角部 三种 可重 复 的单胞 几何 模 三维编织技术使得复合 材料 的静 态性 能及力 学性 能得到很 大 型 。针对使用三维 四向编织法编织 的织 物 ， 刘 振国不仅建立 了 的提升。三维编织织物通 过基体 复合成 型形成 三维 编织复 合 “ 米” 型的单 元模 型 ， 而且对相关材料 的性能参数进行 了有效 地 材料， 三 维 编织 材 料 的 优 良性 能使 得 人们 对 它 有 着 更 高 的 预测。针对使用三维七向法编织的复合 材料 ， 李 典森深人研究 期 待。 了该种材料的整个编织过程和纱线交织情 况 ， 建 立了该种材 料 三维 编织技术出现在上个世纪六 十年代末 期 ， 发展 于八 十 的单胞模 型并提出 了模型理论公式 。针对 三维管状编 织材料 ， 年代 。其 中 ， 最主要 的研 究 大都集 中在二步 法与 四步法 ， 四步 马文锁通过对其在实际状态下梯度性能 的变化 的研究 ， 提 出了 法 的发 明要早 于二 步法 。１ ９ ８ ２年 ， Ｒ ． Ａ ． Ｆ ｌ ｏ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｅ首先 发 明了 可变微单 元模 型 ， 系统地分析 了管状织 物的性能并解 决 了梯度 “ Ｍａ ｇ ｎ ａ ｗ ｅ ａ ｖ ｅ ” 编 织 方 法 即 四步 法 编 织 工 艺 以及 编 织 设 备 。 变化问题 。 １ ９ ８ ７年 ， Ｐ ｅ ｔ ｅ ｒ ． Ｐ ｏ ｐ ｐ ｅ ｒ 和Ｒ ｏ ｎ ａ ｌ ｄ ． Ｆ ． Ｍｃ Ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｌ ｌ 发 明二步法 编织 ２ ０ ０ ５年 ， 马文锁通过研究 晶体学 中的对称 群理论 ， 把 该理 工艺 。随着 四步法 和二步 法的发 明 ， 大量相关 的研究 被展 开 。 论 与编织材料 中纱线 的几何 位置关 系联系在一起 ， 成 功的把对 基 于四步法三维编织 的多 向编织工 艺得 以开发并 成功应 用 于 称群论应 用于编 织几 何 结构 的推 导 和材 料相 关性 能 的研 究。 工业生产过程 ， 目前 成功应 用 的有三 维五 向、 六 向和七 向编织 离散后 的编织纱线段可 以用 空间点来 代替 ， 这样便可 用空间点 工艺 。美 国于八十年代 中期由 Ｎ Ａ Ｓ Ａ主导 ， 联 合众多科 研院所 群来代表 编织材料 的单胞结 构 ， 那 么将点群 与空 间群 相结合 即 致力于三维编织技术 的研究与开发工作 ， 并且取得 了相 应的一 把编织材料 的单胞一 一放 置于 与编织几 何结 构所对 应 的点阵 些成果 。以德国 、 英 国为代表 的欧洲 国家也在尽力开发新 的三 里 ， 如果这种单 胞的组 合使得 编织纱 线呈 现连续 状态 ， 便 可得 维编织材料 。在亚洲研究较早的是 日本 ， 在经过系统 的分析研 到一种全新 的结构 。 究后也开发 了一 系列 三维 编织设 备。世界上 研究 三维编织 技 参考文献 ： 术 的国家有很多 ， 但 是研究 成果 作为 国家的核 心竞争 力 ， 都 受 ［ １ ］ 马文锁 ， 张建 中， 苏冰． 基 于可变微单 元模 型的三 维编 到 了严密的保护 。 织复合材料 管弹性性 能预报 ［ Ｃ ］ ． 第六届 中国功 能材 料及 其应

先进复合材料及结构的多尺度计算方法研究随着科学技术的发展和应用的需求，复合材料在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域得到了广泛应用。

然而，复合材料的设计与分析面临着许多挑战，例如复杂的结构形状、多尺度特性以及破坏行为的预测等。

因此，研究先进复合材料及结构的多尺度计算方法成为了当前的热点问题。

在先进复合材料及结构的多尺度计算方法研究中，首先需要建立材料的力学模型。

复合材料由纤维和基体构成，纤维和基体之间的相互作用决定了材料的力学性能。

因此，研究者通过分子动力学模拟等方法来模拟材料的微观结构和原子间相互作用，以获得材料的宏观力学性能。

此外，还可以通过有限元分析等方法对材料进行宏观力学性能的预测和分析。

在多尺度计算方法中，研究者通过将材料分为不同的尺度层次来进行分析。

在宏观尺度上，可以使用有限元分析来预测复合材料的整体力学性能。

有限元分析是一种基于连续介质力学原理的数值计算方法，通过将材料划分为有限数量的单元来进行计算。

通过对单元的应力和应变进行求解，可以得到复合材料的整体力学性能。

然而，由于复合材料的非均匀性和异质性，单一尺度的有限元分析往往难以准确预测复合材料的力学性能。

因此，在多尺度计算方法中，研究者还需要考虑到材料的细观尺度。

通过将复合材料的微观结构转化为宏观模型，可以在更细致的尺度上进行力学分析。

例如，可以使用本构模型来描述复合材料中纤维和基体的力学行为。

通过建立纤维和基体的力学模型，并考虑它们之间的相互作用，可以更准确地预测复合材料的力学性能。

此外，还可以使用分子动力学模拟等方法来模拟材料的微观结构和原子间相互作用，以获得更准确的力学性能预测。

除了细观尺度的分析，多尺度计算方法还可以考虑到中观尺度的分析。

在中观尺度上，复合材料的结构形状和纤维排列方式对材料的力学性能有着重要影响。

通过使用多尺度模型，可以将宏观模型和细观模型相耦合，以考虑到不同尺度之间的相互作用。

例如，可以使用有限元分析来预测复合材料的整体力学性能，并考虑到纤维的分布和排列方式对材料性能的影响。