三维四向编织复合材料的孔隙修正模型

编织复合材料弹性性能的细观力学模型1)1)国家自然科学基金和航空科学基金资助项目.　1996205220收到第一稿,1996211228收到修改稿.燕　瑛(北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系,北京100083)摘要　提出了编织复合材料弹性性能分析的细观力学模型,这个力学模型考虑了实际编织结构中的纬向和经向纤维束的曲屈,相邻纤维束之间的间隙和纤维束的横截面尺寸对编织复合材料弹性性能的影响,并探讨了在纤维束间纯树脂区内孔隙的含量和两种叠层结构对材料弹性性能的影响.理论计算结果与实测值的比较,表明所提出的细观力学模型是合理的.根据理论分析的结果,提出了优化单层和叠层编织结构的结构参数选择方法.关键词　编织复合材料,弹性性能,纤维束的曲屈,结构参数引　言与单向纤维增强的复合材料层合板相比,编织复合材料层板一方面对改进层间、层内强度和损伤容限等方面具有巨大潜力,另一方面,由于它更易于成型,减轻了因铺层所带来的繁琐劳动,制造费用较低,因此具有更强的竞争性.编织复合材料的弹性性能和强度取决于织物的细观结构,采用细观力学的分析方法,预测编织复合材料的细观结构形式对其宏观性能的影响,是实现其性能优化的重要基础.从公开发表的论文看,国内外学术界对编织复合材料细观力学的研究还较少,所提出的分析模型从根本上分为应用层合板理论和有限元分析法[1,2].Ishikawa 和Chou 提出了3个模型来分析编织复合材料,它们是镶嵌模型[3]、纤维曲屈模型[3]和桥式模型[4].这些模型的基本假设是经典层合板理论适用于编织复合材料单层的每一个极微小的基本单元上,因此这些模型被称为层合板理论模型.镶嵌模型和纤维曲屈模型把织物细观结构看成一条一维的织物带,因此不能代表真实的织物结构.为分析缎纹织物结构复合材料的单层所提出的桥式模型,仅仅在受载方向上考虑了纤维束的曲屈和连续性,忽略了垂直载荷方向上纤维束的曲屈对材料性能的影响.Naik 和G anesh 所提出的二维模型[5]是对纤维曲屈模型的发展,考虑了织物结构的二维性和织物结构中存在的间隙,并探讨了织物几何参数对材料面内弹性模量的影响,但此二维模型的应用局限在平纹织物复合材料分析上.Ishikawa 和Chou [3]将有限元理论应用到二维和三维镶嵌模型和纤维曲屈模型中.White 2comb [6]采用三维有限元分析平纹织物复合材料,他研究了纤维束的波纹度对弹性模量、泊松比和应变分布的影响.Zhang 和Harding [7]在假设织物结构单向直波纹情况下,根据应变能等效原理,利用有限元分析方法,给出了一组平纹织物复合材料单层弹性常数的估算结果.本文中所提出的二维波纹细观力学模型在以下这些方面比前面所提到的模型有所改进:(1)这个模型建立了编织复合材料弹性常数随织物结构参数———纤维束曲屈率和相邻纤维束间间第29卷第4期力　学　学　报Vol.29,No.41997年7月ACTA MECHAN ICA SIN ICA J uly ,1997隙的变化关系;(2)考虑了沿纬向和经向纤维束波纹对复合材料弹性性能的影响;(3)探讨了纤维束之间的间隙、层合结构状态和纯树脂区内孔隙的含量对编织复合材料弹性性能的影响.1二维波纹细观力学模型1.1细观几何结构为了便于掌握编织复合材料的力学性能,首先应确定一个用于力学分析的结构体积代表元素.合理地建立编织复合材料力学模型的一个重要方面是建立一个合理的几何构造来描述编织复合材料的细观结构,这里根据编织复合材料的显微照片来确定它的细观几何结构.图1是一典型的T 2300碳纤维平纹织物/环氧树脂复合材料的横截面显微照片.从图中可以看出其细观结构的复杂性.纤维束由于编织形式而纵横交错、波纹起伏,纤维束横截面呈椭圆形,并且展平填满大部分空间,很少量的纯树脂区存在.整个复合材料从体积上由三个区域所组成:浸有树脂的纬向和经向纤维束、纯树脂和孔隙.图1　碳纤维平纹织物/环氧树脂复合材料横截面显微照片Fig.1　Photomicrograph of a section of plain weave carbon fabric/epoxy composite 图2给出了根据显微照片所确定的编织复合材料的体积代表元素.纤维束的宽度和厚度分别用wy 和ty 表示,两相邻纤维束之间间隙用gy 表示,沿x 和y 方向的几何尺寸相等.设x 和y 方向分别为纬向和经向纤维束的方向.纤维束上下波动的几何性可以它的中心线来描述,纬向纤维束的中心线在xz面内的波动图2　编织复合材料的体积代表元素Fig.2　Volume representative element for a woven com posite034力 学 学 报1997　年　第　29　卷以下面的函数表示(图3)z =ty 2sin πxw y +gy (1)其中ty 2和2(w y +gy )分别是波动纤维束的幅度和波长.图3纤维束中心线波动示意图Fig.3The sinusoidal centre line of the yarn 纤维束中心线上某点的切线与x 轴之间的夹角θ是x 的函数tan θ=d z d x =πty 2(w y +gy )cos πx w y +gy =δcos πx w y +gy(2)其中δ=πty/[2(w y +gy )]定义为纤维束波纹度.θmax =cot πty2(w y +gy )(3)在x 与x +d x 之间纤维束的长度ds 可由下式求出d s =d x 2+d z 2=d x 1+c cos 2πxw y +gypr 其中c =πty2(w y +gy )292=δ2(4)在x =0和2(w y +gy )之间曲屈的纤维总长s 可由积分获得s 2(w y +gy )=1+2κ28曲屈+13κ28面内2+90κ28ou 3+644κ284+4708.5κ28影响5+ (5)其中κ2=c1+c (6)根据体积代表元素的几何形状,浸脂纤维束的体积含量由下式确定V y =π(w y )s8(gy +w y )2(7)134第4期燕　瑛:编织复合材料弹性性能的细观力学模型浸脂纤维束是由体积含量为V t f 的纤维束和树脂组成,因此纤维的体积含量为V f =V y V t f (8)根据纤维束曲屈率的定义[8],曲屈率由下式表示CF =s -2(w y +gy )2(w y +gy )(9)1.2应力2应变的关系纵向、横向纤维束和树脂的线性本构关系为σL x σL yy =Q L x xQ L xy Q L xy Q L yy y εx εy y (,　σT x σT yy =Q T x x Q T xy Q T xy Q T yy 2εx εy 2πσm x σm y=Q m x xQ m xy Q m xy Q m yy 和2w y εx εy s (10)其中L ,T 和m 分别表示纵向、横向纤维束和树脂.使用矢量转换式,建立偏轴刚度系数和正轴刚度系数的关系Q L x x =Q 11cos 4θx +2(Q 12+2Q 66)cos 2θx sin 2θx +Q 22sin 4θxQ L xy =Q 12cos 2θx +Q 23sin 2θxQ L yy =Q 22Q T x x =Q 22Q T xy =Q 12cos 2θy +Q 23sin 2θy Q T yy =Q 11cos 4θy +2(Q 12+2Q 66)cos 2θy sin 2θy +Q 22sin 4θy 65(11)式中θy 是横向纤维束中线上某点的切线与y 轴的夹角,它的计算方法与公式(2)相似.1.2.1同相状态从图1的光学显微照片可以看出,各织物层间相互错位,无一定组成规律.图4(a )给出织物叠层构造的极限情况,各层之间处于同相状态,因为织物层的排列具有重复性,仅需分析一层的性能,认为垂直于载荷方向的截面保持不变形,因此应变由下式表示εx =εx (x ),εy =εy (y )(12)234力 学 学 报1997　年　第　29　卷这时应力2应变关系由下式表示σLx(x,y)σTx(x,y)σmx (x,y)维束=Q L x x Q L xy Q T x x Q T xy Q m x x Q m xyσεx(x)ε2σLy(x,y)σTy(x,y)σmy(x,y)=Q L xy Q L yyQ T xy Q T yyQ m xy Q m yyε1εy(y)(13)式中ε1和ε2分别表示在体积代表元素内εx(x)和εy(y)的平均值,因此沿x方向作用在横截面上的力为F1(x)=A T(x)σT x(x)+A L(x)σL x(x)+A m(x)σm x(x)(14)式中A T和A L分别是横向和纵向纤维束的横截面积,它们的数值可近似由下式表示A L=π8tyw yA T=1+14δ2x1-2xw ys2x　1/2ty(w y+gy),　-w y/2ΦxΦw y/2(15)A m为树脂所占的横截面积.根据公式(11),(13)和(14),作用在x方向上的力可表示为F1=α1(x)εx(x)+α2(x)ε2(16)由对称性,作用在y方向上的力为F2=α2(y)ε1+α1(y)εy(y)(17)式中系数α1(x)和α2(x)为α1(x)=2ty(w y+gy)1+14δ2()1-2xw y方法211/2Q22+ π2tyw y(Q11cos3θx+2(Q12+2Q66)cosθx sin2θx+Q22sin4θx cos-1θx)+ ηQ m11ty4(w y+gy)-π2w ycos-1θx-2(w y+gy)1+14δ2建议1-2xw y件(21/2α2(x)=2ty(w y+gy)1+14δ2121-2xw y21/2Q12+12δ2Q23++ π2tyw y(Q12cosθx+Q23sin2θx cos-1θx)+ ηQ m12ty4(w y+gy)-π2w ycos-1θx-2(w y+gy)1+14δ2ua1-2xw y……2……1/2(18)334第4期燕　瑛:编织复合材料弹性性能的细观力学模型式中0ΦηΦ1是一个反映纤维束间树脂含量的系数,当η=0意味着纯树脂区域完全是空的,当η=1时表明区域内充满树脂.将公式(18)中的所有x 换为y 就可得到α1(y )和α2(y )的表达式.根据公式(16)和(17),在体积代表元素上的平均应变为ε1=C 11-C 22F 1-C 1C 21-C 22F 2, ε2=C 11-C 22F 2-C 1C 21-C 22F 1(19)其中C 1=12(w y +gy )∫w y +gy-(w y +gy )1α1(x )d x ,　C 2=12(w y +gy )∫w y +gy-(w y +gy )α2(x )α1(x )d x由公式(17),编织复合材料的弹性模量和泊松比为E x =1-C 224ty (w y +gy )C 1,　νxy =C 2(20)1.2.2无规则相状态图4(b )给出了另一织物叠层的极限情况,即无规则状态.图4织物叠层结构Fig.4Fabric stacking configuration在这种状态下,假设在任意横截面上的平均刚度相等,应变是均匀的,即εx (x ,y ,z )=ε1,εy (x ,y ,z )=ε2(21)式中ε1和ε2是常数,根据公式(10)可得材料的应力,类似公式(14)可得在这种状态下力的表达式,它是x 的函数,在体积代表元素内的平均力为F 1=12(w y +gy )∫(w y +gy )-(w y +gy )F 1(x )d x (22)也可进一步写为F 1=α11ε1+α12ε2(23)式中α11=πtyw y 2Q 111-34δ2)+(Q 12+2Q 66)δ2+Q 221+14δ212Q +ηQ m 11ty 4(w y +gy )-πw y 1+14δ22os α12=πtyw y 22Q 12+12Q 23δ2+ηQ m 12ty 4(w y +gy )-πw y 1+14δ2y 14(24)434力 学 学 报1997　年　第　29　卷用类似的方法可求出作用在y 方向上的力,又因 F 1=4ty (w y +gy )σ1,F 2=4ty (w y +gy )σ2,σ1和σ2是远端作用的应力,因此编织复合材料的刚度和泊松比可表示为E x =α11(1-ν2xy )4ty (w y +gy ),　νxy =α12α112结果与讨论通过对几个编织复合材料构造参数的分析确定纤维束的曲屈率、孔隙的含量对纤维体积含量、弹性模量和泊松比的影响.图5给出了纤维体积含量与纤维束曲屈率及ty/gy 比值间的关系.可以看出,对编织复合材料具有小间隙(ty/gy =10)的细观结构,纤维体积含量随着纤维束曲屈率的增大而增加,而对于具有中等间隙(ty/gy =1)和大间隙(ty/gy =0.1)的细观结构,纤维体积含量随着纤维束曲屈率的增大而减小;另一方面,图中的数据也说明了随着间隙的增加,纤维体积含量将减小,这是由于随着间隙的增大而增加了树脂所占的比例.图5纤维体积含量与纤维束曲屈率及ty/gy 比值间的关系Fig.5Variation of fibre volume fraction with yarn crimp percentage 图6给出了编织复合材料弹性模量与纤维束曲屈率及ty/gy 比值间的变化关系.可以看出,弹性模量随着纤维束曲屈率的增加而减小,具有同相叠层构造状态的编织复合材料提供了比较高的弹性性能,弹性模量随着间隙的增加而降低.这个结果与Shembekar 和Naik 所得结论相一致[9].纤维束之间的间隙的影响是两方面的,随着间隙的增大,很明显纤维的体积含量将降低,因而弹性模量也将降低;另一方面,间隙的存在将减小纤维束的曲屈程度而使弹性模量增加.从这个分析知,通过织物结构设计,选取合理的间隙值,可使弹性模量取最大值.另外,具有间隙的织物,有较好的浸润性,因而易获得较好性能的编织复合材料.图7给出了弹性模量与纤维体积含量及ty/gy 比值间的变化关系.对具有中等间隙细观结构的编织复合材料,弹性模量随纤维体积含量的增加而增大;对具有小间隙细观结构的编织复合材料,弹性模量随纤维体积含量的增加而减小.这个图说明具有中等间隙细观结构的材料比具有小间隙细观结构的材料更为合理,因为这种结构在相对低的纤维体积含量下提供同等程度高的弹性性能.图8给出了泊松比与纤维束曲屈率及ty/gy 比值间的变化关系.随着纤维束曲屈率的增534第4期燕　瑛:编织复合材料弹性性能的细观力学模型加,泊松比显著的增大,对具有中等间隙和同相叠加状态的复合材料,泊松比随纤维束曲屈率的增高而增大得极为显著.另外,随着间隙的增加,泊松比的数值有所增大.图8泊松比与纤维束曲屈率及ty/gy 比值间的关系Fig.8Variation of major Poisson ’s ratio with yarn crimp percentage (wy =2,void content =0.2)634力 学 学 报1997　年　第　29　卷 图9给出了泊松比与纤维体积含量及ty/gy 比值间的变化关系.对具有小间隙的材料,泊松比随纤维体积含量的增高而增大;而对中等间隙的编织复合材料,泊松比随纤维体积含量的增高而减小.此图进一步说明了中等间隙的编织复合材料的结构较为合理,因为在相对低的纤维体积含量下,具有同等低的泊松比.图9泊松比与纤维体积含量及ty/gy 比值间的关系Fig.9Variation of major Poisson ’s ratio with fibre volume fraction (wy =2,void content =0.2) 在同相和无规则相状态下确定的纯树脂区内孔隙的含量对复合材料刚度和泊松比的影响在表1中列出.从表中数据知,随着孔隙含量的增加(从η=1到η=0),弹性模量和泊松比都有所降低,弹性模量的变化范围在1.8%～1.9%,而泊松比的变化范围为17%.表1　树脂区内孔隙的含量对弹性模量和泊松比的影响Table 1　E ffect of void content on the elastic modulus and Poisson ’s ratio Void content Iso 2phase mode (IPM )Random 2phase mode (RPM )ηE x νxy E x νxy 061.2350.035857.880.0380.261.460.03758.10.03940.461.680.038458.330.040.661.90.039758.550.0420.862.120.04158.770.043162.350.0422590.0447V ariation (%)1.8171.917 表2给出了弹性模量和泊松比的理论预测值与实验值的比较.从表中数据可以看出预测值与实测值很接近.表2　弹性模量和泊松比的理论预测值与实验值的比较Table 2Predicted elastic modulus and Poisson ’s ratio in comparison with experimental dataE x /GPav xy E x /GPa v xy E x [10]v xy ty/gy =10IPM ty/gy =10IPM ty/gy =10RPM ty/gy =10R PM Experimental Data Experimental Dada61.460.037158.10.039461±3.60.0533结论1)通过理论计算结果与实测值的比较,证明所提出细观力学模型的正确性;2)纤维体积含量与编织几何形状有关.对纤维束之间具有小间隙的情况下,随着纤维曲734第4期燕　瑛:编织复合材料弹性性能的细观力学模型834力 学 学 报1997　年　第　29　卷屈率的增大,纤维体积含量增大;而对具有中等间隙和大间隙时,会产生相反的结果;3)复合材料叠层结构为同相状态时所具有的刚度比无规则相状态时要高些;4)纯树脂区中孔隙含量的大小对泊松比有很大的影响;5)在理论分析的基础上,提出了优化编织复合材料性能的结构参数的选择.参　考　文　献1Raju IS,Wang J T.Classical laminate theory models for woven fabric com posites.Journal of Com posites Technolo2 gy&Research,1994,16(4):289～3032Whitcomb J,Woo K,Gundapaneni S.Macro finite element for analysis of textile composites.Journal of Com pos2 ite M aterials,1994,28(7):607～6173Ishikawa T,Chou TW.One2dimensional micromechanical analysis of woven fabric composites.A IA A Journal, 1983,21:1714～17214Ishikawa T,Chou TW.Stiffness and strength behaviour of woven fabric com posites.Journal of M aterial Science, 1982,17:3211～32205Naik N K,G anesh V K.Prediction of on2axes elastic properties of plain weave fabric posites Science and Technology,1992,45:135～1526Whitcomb JD.Three2dimensional stress analysis of plain weave posite Materials:Fatigue and Fracture(Third Volume),ASTM STP1110,T K O’Brien Ed.,American S ociety for Testing and Materials, Philadelphia,1991.417～4387Zhang YC,Harding J.A numerical micromechanics analysis of the mechanical properties of a plain weave compos2 puters and S t ructures,1990,36:839～8448燕瑛,丁逸强.纺织结构复合材料强度性能的研究.北京航空航天大学学报,1996,22(6)9Naik N K,Shembekar PS.Elastic behaviour of woven fabric com posites:I2lamina analysis.Journal of Composites Materials,1992,26:2196～222510Ding YQ.Structural characterization and mechanical properties of32Dwoven composites.SAMPE,Birmingham, 1993.1～9A MICR OMECHANICAL MODE L FOR E LASTIC BEHAVIOURANALYSIS OF WOVEN FABRIC COMPOSITESY an Y ing(Instit ute of A ircraf t Design and Research,BeijingU niversity ofAeronautics and Ast ronautics,Beijing100083,China)Abstract　A micromechanical model for elastic behaviour analysis of woven fabric composites is proposed in this paper.This model takes into account the actual fabric structure by considering the fibre undulation and continuity along both the warp and weft directions,the gaps between adjacent yarns and the actual cross2sec2 tional geometry of the yarn.The effect of the voids in the interyarn space and two cases of fabric stacking arrangements to the composite elastic properties have been investigated.A comparison of the resulting ana2 lytical predictions with experimental results shows that the proposed model is valid.K ey w ords　woven fabric composites,elastic behaviour,fibre undulation。

谈我军联合作战的现状我军联合作战指导思想谈我军联合作战的现状摘要:联合作战行动是由一系列各军种独立作战行动或各军种共同作战行动组成，作战中的协同主要是各军种军团之间的协同。

信息化条件下联合作战需要的基于信息系统的体系作战能力,是现阶段提高军队的作战能力的主题。

然而联合作战的内涵在不断丰富，联合作战能力生成模式实现了新的转变，呈现出新的发展趋势。

联合作战作为基本作战形式，已登上信息化战争军事历史舞台。

我军还有很长的路要走，这样才能实现信息条件下的联合作战关键词: 联合作战; 一体化联合作战; 军事历史;2012年9月，中国首艘航空母舰“辽宁舰”正式交接入列的消息引发举世关注国际舆论再一次聚焦中国近年来陆续亮相的一系列新装备、新创举、新成果。

从航空母舰到军事理论、军队体制、作战样式等的改革创新，一个结论赫然在目：中国军队正大步赶上世界新军事变革的时代大潮，战斗力转型呈现加速跃进的态势。

10年来，环顾大裂变、大跨越、大转型中的世界军事，带着强烈使命感和危机感的中国军人，在科学发展观的指引下，展开了一场转变战斗力生成模式的集团冲锋。

一、联合作战的由来，演变迄今为止，人类社会发生了四次军事变革，也经历了四次战争形态的演变：由一开始的以木石为兵器，到金属化（冷兵器）战争，到火药化（热兵器）战争，再到机械化战争，到现在的信息化战争。

也许真正的战争你我都没有经历过，但从电影里的一幕幕还是能够看出些许皮毛，相信这点点滴滴的片段就足以震撼你的心灵，这就是战争的力量。

横看现在的世界格局，一超多强的定论一直没有变过，为什么这个一超在近代以来会长久不衰，先不论他在经济和科技方面的建树，单单几次战争的发动和实施就足以管中窥豹。

是的，不得不承认，它的地位依然是依靠着战争这个暴力工具来实现的。

1991年海湾战争;1998年空袭南斯拉夫，1999年科索沃战争;2001年攻打阿富汗;2003年伊拉克战争;2011年空袭利比亚。

短短几十年时间里，强势的发动了这么多场战争，其能力显而易见。

三维编织复合材料研究及应用现状作者：王海雷高艳秋范雨娇来源：《新材料产业》2017年第03期三维编织复合材料是利用编织技术，把经向、纬向及法向的纤维束（或纱线）编织成一个整体，即为预成型结构件（简称“预制体”），然后以预制体作为增强材料进行树脂浸渍固化而形成的复合材料结构。

由于增强纤维在三维空间多向分布，阻止或减缓了冲击载荷作用下复合材料层间裂纹的扩展，使得复合材料层间性能大大提升。

因此，三维编织复合材料较普通层合复合材料具有更高的冲击损伤容限和断裂韧性。

三维编织技术可按实际需要设计纤维数量，整体织造复杂形状的零部件和一次完成组合件，减少二次加工量，如加筋壳、开孔结构的制造等，因而经济性好、成本低、制造周期短。

此外，三维编织复合材料可适用于各种复杂几何形状的织造，稳定性和整体性高，可设计性强，可通过改变编织方式、编织角、纱线密度等参数满足某些特定的工程需求。

基于以上各种优势，三维编织复合材料得到了迅速的发展，并且受到工程界的普遍关注[1]。

一、细观模型的研究进展三维编织复合材料细观结构的研究始于20世纪80年代初，比如Ko和Pastore的单胞织物几何模型（FGM），Ma和Yang的“米”字型单胞模型以及Yang提出的“纤维倾斜模型”，这些都属于简单的等效理论的范畴。

20世纪90年代以后，数值仿真能力得到大大提高，人们开始对三维编织复合材料的成型、编织程序、纱线在编织过程中的走向等进行更深入、完善的研究。

Du和Ko在单胞理论的基础上研究了编织参数与三维编织复合材料的纤维编织角及纤维体积含量之间的关系。

Sun[2]将数字化方法成功地用于研究复杂微观结构的三维编织矩形预成型体，准确地分析了纱线相互作用和横截面的变形情况，并对比了拓扑模型和数字化方法预测材料微结构的差异，在此2种模型的基础上运用体积平均法计算了三维矩形编织复合材料的抗拉刚度，剪切刚度和泊松比等力学性能，用拓扑模型计算得来的抗拉刚度，剪切刚度值均低于数字化方法，泊松比的值则较为近似。

复杂载荷作用下的三维编织复合材料力学性能分析姜黎黎;徐美玲;王幸东;翟军军【摘要】基于螺旋型单胞几何模型和多相有限元理论,建立了三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析模型.通过对代表体积单胞施加不同的复杂载荷比,数值预报了三维四向编织复合材料在双向拉伸和拉剪载荷作用下的破坏点,得到了材料的破坏包络线.结果表明,编织角对三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的破坏影响较大,编织角比较小时,应重视复杂载荷之比对材料破坏的不利影响.此方法为三维编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析提供了有效方法.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2018(023)004【总页数】5页(P108-112)【关键词】三维编织复合材料;力学性能;螺旋型几何模型;复杂载荷【作者】姜黎黎;徐美玲;王幸东;翟军军【作者单位】哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TB3320 引言三维编织复合材料由于其增强体为三维整体编织结构，突破了传统复合材料层合板结构的概念，在提高复合材料层间强度、抗冲击、抗断裂和损伤容限等方面具有巨大的优势和潜力，同时具有优良的可设计性，可以一次成型复杂的零部件。

因此，三维编织复合材料受到工程界的普遍关注，在航空、航天、国防、体育用品和生物医疗等领域得到了广泛应用[1]。

Ma、Yang、Kalidindi和吴德隆[2-5]等在详细分析了三维编织复合材料的成型技术与编织工艺的基础上，分别建立了“米”字型单胞模型、纤维倾斜模型、螺旋纤维模型以及三胞模型，并基于这些细观结构几何模型研究了三维编织复合材料的刚度Ko[6]对三维编织石墨/环氧树脂复合材料进行了拉伸实验，结果表明近似垂直于加载方向失效面上的纤维断裂是引起三维编织复合材料失效的主要原因。

三维四向编织复合材料力学性能预测及实验验证许善迎;谭焕成;关玉璞;刘璐璐【摘要】In order to predict the elastic constants of 3D four-direction braided composites, unit cell model was established for braided composites with 20°C,30°C,45°Cbraided angle respectively. The elastic properties of the interior cell and the surface cell were predicted using both the stiffness volume aver-age method and the numerical analysis method, and all quasi-static tensile tests were performed on MTS machine. The experimental results, theoretical analysis and numerical simulation results were analyzed. It is found that the axial tensile modulus decreases, and the transverse tensile modulus and transverse shear stiffness increases with the increase of braiding angles because of the decrease of the component of carbon fiber stiffness in the direction of the carrier movement and the increase of the transverse component of carbon fiber stiffness. Tests reveal that the stress-strain curve for the extension tests of specimen of 20°C braided angle exhibit linear elastic type, the stress-strain curve of 30°C specimen shows nonlinear characters, the stress-strain curve of 45°C specimen shows bilinear relation! but the transverse tensile stress-strain curves of all the specimens are basically linear. Combining the longitudinal and transverse tensile test results with the theoretical and numerical data, it is found that the stiffness volume average method and the numerical analysis methods are able to predict the stiffness in the direction of the carrier movement of 3D braided composites well. However,the prediction precision for the transverse stiffness of specimen is not satisfactory, mainly because these methods neglect the interface damage between the fiber and the matrix in tests.%基于三单胞模型,分别采用刚度平均化理论和数值分析方法对编织角为20°,30°,45°的三维四向编织复合材料的弹性常数及其随编织角变化规律进行预测,并在MTS试验机上开展了静态拉伸实验.结合理论分析、数值仿真与实验测试结果,发现随着编织角的增大,纤维束的刚度在纵向分量减小,而在横向分量增加,因此三维四向编织复合材料纵向刚度逐渐减小,横向刚度和横向剪切刚度逐渐增大.实验结果还发现不同编织角的复合材料纵向拉伸曲线具有较大差异,20°编织角实验件呈现线弹性,30°编织角实验件呈现非线性,45°实验件呈现双线性;而三种编织角的实验件的横向拉伸力学行为基本呈线性.通过与实验件纵横向拉伸实验结果对比,发现刚度平均化方法和数值模拟方法对三维编织复合材料编织方向刚度预测较为准确,但由于忽略了纤维与基体脱胶现象,对横向刚度预测偏差较大.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2018(046)006【总页数】9页(P132-140)【关键词】三维编织复合材料;单胞模型;力学性能;刚度平均化方法;数值分析【作者】许善迎;谭焕成;关玉璞;刘璐璐【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TB332三维编织复合材料是将纤维束经一定的编织工艺技术形成预编织件，然后与基体材料固化成型得到的。

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。

第16卷1999年　第3期8月复　合　材　料　学　报ACT A M AT ERIA E COM PO SIT A E SIN ICA V ol.16 No.3A ug ust 1999 收修改稿、初稿日期:1999-03-03,1998-06-24三维四向编织复合材料细观组织及分析模型庞宝君 杜善义 韩杰才(哈尔滨工业大学航天工程与力学系,哈尔滨150001)摘　要　以四向编织复合材料为对象,对所建立的单胞组织模型进行了细观组织的实验验证,所得结果与理论分析结果吻合较好。

证实了所建模型的正确性,成为三维多向编织复合材料性能分析与材料优化设计的基础。

关键词　编织复合材料,分析模型,细观组织,实验中图分类号　T B 330.1,T B 33 三维编织物结构上所具有的优点,使三维编织复合材料结构与性能具有显著的优势,整体性显著地提高了强度和刚度,具有优良的抗损坏性及良好的力学性能和耐烧蚀性能[1]。

三维编织复合材料已经在航天、航空等高科技行业得到了广泛的应用[2]。

编织复合材料具有显著的性能可设计性。

组分材料的性能、制造工艺决定了复合材料的性能。

同时,编织复合材料的材料单胞在力学上具有显著的结构特性,因此织物组织结构参数即编织参数也将影响编织复合材料的性能。

为了进行材料的优化设计,需要掌握编织复合材料内细观组织特性,即材料单胞内纤维束与基体在空间上的几何分布规律。

Cho u 等[3～4]将编织复合材料单胞看成由四个倾斜的单向复合材料层板组成,建立了倾斜板模型。

吴德隆等[5]研究了五向编织复合材料的分析模型,土方、福多等[6～9]对三维多向编织复合材料的材料模型在几何上作了探讨。

肖丽华与李嘉禄对三维编织工艺及编织复合材料进行了研究[10～11]。

柴雅凌对三维编织预制件中纱线结构进行了拓扑学研究[12]。

本文以矩形截面的碳/环氧四向编织复合材料试件为对象,为验证所建模型的正确性,进行了材料内部显微组织的观察实验,实验结果与所建立的四向编织复合材料单胞几何模型的理论分析结果吻合较好。

三维四向编织复合材料疲劳性能分析冯继强;王新峰;刘海;于健【摘要】建立基于八边形纤维束截面假设的三维四向编织复合材料单胞模型.基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型.利用ABAQUS有限元软件 UMAT 开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了三维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命.研究表明,疲劳损伤是从纤维束之间的接触面的单元开始发生损伤破坏,然后向纤维束表面以及纤维束内部开始扩散,并且损伤扩展速率随着应力水平的提高而加快.本文研究为预测三维四向编织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径.%The unit cell model of three-dimensional and four-directional braided composites with an octag-onal fiber cross section is established.Based on the fatigue residual stiffness and strength model of uni-directional composites,the fatigue life prediction model of three-dimensional and four-directional braided composites is created by combining the fatigue failure criteria and performance damping method of com-ponent materials.The fatigue life prediction and progressive damage analysis program is developed by using ABAQUS finite element software UMAT to simulate the fatigue life and damage propagation process of three-dimensional and four-directional braided composites under fatigue loading.The results show that fatigue damage starts from the elements of contact area between the fiber bundles,and then it spreads to the surface and interior of fiber bundles.Moreover,the damage propagation accelerates with the increase of stress level.This is a new way for predictingthe fatigue life of three-dimensional and four-directional braided composites.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2018(050)001【总页数】8页(P45-52)【关键词】编织复合材料;单胞;疲劳寿命;刚度退化;Hashin准则【作者】冯继强;王新峰;刘海;于健【作者单位】南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室,南京,210016;南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室,南京,210016;中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司,成都,610092;南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TB332随着航空航天领域以及军工领域向轻质高强方向发展，纤维增强复合材料逐渐受到重视并得到广泛应用。

三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析
杨振宇;卢子兴;刘振国;李仲平
【期刊名称】《复合材料学报》
【年(卷),期】2005(022)005
【摘要】在已有研究的基础上,提出了一个新的三维编织复合材料单元胞体模型,该模型正确地反映了纤维束的交织方式,十分接近三维编织复合材料的真实结构,可用于三维四向编织复合材料有效模量的有限元数值预报,并合理确定复合材料内部全场应力分布.采用有限元软件对该模型进行了力学分析,得到了相关等效弹性性能参数.结果表明:有限元计算得到的三维编织复合材料的等效弹性性能与实验结果和理论预测值都吻合较好,从而验证了该模型的有效性.此外,基于新的单元胞体模型还确定了三维四向编织复合材料的应力场,为进一步的强度计算奠定了基础.
【总页数】7页(P155-161)
【作者】杨振宇;卢子兴;刘振国;李仲平
【作者单位】北京航空航天大学,固体力学研究所,北京,100083;北京航空航天大学,固体力学研究所,北京,100083;北京航空航天大学,固体力学研究所,北京,100083;航天材料工艺研究所,北京,100076
【正文语种】中文
【中图分类】TB330.1
【相关文献】
1.纤维取向对三维四向编织复合材料与层合复合材料振动性能的影响 [J], 裴晓园;李嘉禄;何玉强
2.三维四向编织复合材料压缩力学性能实验研究 [J], 严实;吴林志;孙雨果
3.三维四向编织复合材料力学性能预测及实验验证 [J], 许善迎;谭焕成;关玉璞;刘璐璐
4.三维四向和五向编织复合材料冲击断裂行为的多尺度模拟 [J], 封端佩;商元元;李俊
5.三维四向碳/环氧编织复合材料剪切力学性能实验研究 [J], 庞宝君;杜善义;严勇;赫晓东;韩杰才
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三维四向大编织角复合材料的细观强度分析
董纪伟;孙良新;洪平
【期刊名称】《材料科学与工程学报》
【年(卷),期】2006(024)004
【摘要】编织角是影响三维编织复合材料力学性能的最重要因素.实验数据表明:大编织角复合材料在单向拉伸作用下的破坏形式较为复杂,其应力-应变曲线呈现非线性特性.本文建立了细观应力场的均匀化列式和有限元求解方法,运用该方法对三维大编织角复合材料的细观应力分布进行了数值模拟,结合相关的强度理论对材料进行失效分析,并进一步对材料的拉伸强度进行预测.强度计算结果与实验结果较为吻合.
【总页数】4页(P539-542)
【作者】董纪伟;孙良新;洪平
【作者单位】南京航空航天大学航空宇航学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学航空宇航学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学航空宇航学院,江苏,南
京,210016;南昌航空工业学院,土木建筑系,江西,南昌,330034
【正文语种】中文
【中图分类】TB330.1
【相关文献】
1.三维四向编织复合材料改进模型的细观分析 [J], 刘振国;商园春;董阿鹏;陈思思
2.板状三维四向编织复合材料压缩细观破坏机理的实验研究 [J], 严实;孙雨果;吴林
志;杜善义
3.四步法三维矩形编织复合材料的细观结构模型 [J], 徐焜;许希武
4.三维四向编织复合材料刚度的细观力学设计 [J], 孙颖;李嘉禄;亢一澜;陈利
5.三维编织预成型体的织造及三维编织复合材料细观结构研究进展 [J], 韩振宇;梅海洋;付云忠;富宏亚
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基于ABAQUS的三维四向编织复合材料参数化有限元建模姜慧;李旭东;王刚
【期刊名称】《甘肃科技》
【年(卷),期】2012(0)9
【摘要】三维编织复合材料广泛应用于航空航天、生物医学工程以及汽车工业等领域.在已有RVE模型的基础上提出了完整的单胞模型,并以ABAQUS软件为平台,使用Python语言编程建立三维编织复合材料增强相RVE模型.在ABAQUS环境下再现了编织体的几何信息,为后续的分析计算工作奠定了基础.
【总页数】3页(P56-58)
【作者】姜慧;李旭东;王刚
【作者单位】兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州 730050;兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州 730050;兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州 730050
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.三维四向编织复合材料的几何建模及刚度预报 [J], 徐焜;许希武;汪海
2.三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析 [J], 杨振宇;卢子兴;刘振国;李仲平
3.三维四向编织复合材料基本性能的有限元模拟 [J], 宛琼;李付国;梁宏;张李骊
4.三维四向编织复合材料弹性性能的有限元预报 [J], 李典森;卢子兴;蔺晓明;卢文书
5.三维四向编织复合材料参数化单胞模型建立及弹性规律数值预测 [J], 张芳芳;姜文光;刘才
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《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。