四步法三维编织复合材料力学性能的有限元分析

2016 NO.05SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION工 业 技 术65科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 三维编织复合材料是三维编织技术和现代复合材料技术结合的产物,是对结构和多功能复合材料的需要而发展起来的一种高新纺织技术,编织复合材料在生产工艺中应用越来越广泛。

三维编织复合材料的纤维结构为网状结构,使得材料形成一体,增加了其强度,不存在二次加工造成的损伤。

并且三维编织复合材料具备传统复合材料比强度、比模量高的特性,还具备不分层和较高的损伤容限的优点。

从一般的二维编织到三维编织的研究过程中对如何确定三维编织复合材料的力学性能,以及失效行为对工业设计尤为重要。

纤维增强复合材料的编织方法的制备始于20世纪70年代,最初的目的是为了提高其层间属性。

国内外学者对于编织复合材料的力学行为进行了细观结构力学模型、数值仿真以及工程弹性常数预测等多方面研究。

1 三维编织复合材料细观力学模型在细观结构力学模型研究方面,由于三维编织复合材料的内部结构相当复杂,很少进行全编织分析,一般取其一部分代表性体积单元作为研究对象。

V.R等[1]基于叠加原理,对单胞建立解析模型,通过理论分析对模型的3个主方向的弹性模量与泊松比的大小进行了预测,为今后的模拟提供了依据。

在实验研究方面,SR [2]通过模型基础利用实验方法预测工程弹性常数。

得到纤维倾角较小情况的三维编织复合材料的纵向、横向的弹性模量以及整体材料的强度。

Jialu Li等[3]利用实验研究割边对三维编织复合材料编织方向上拉伸、压缩以及弯曲的力学性能。

南京航空航天大学许希武等[4]基于三维五向编织复合材料的细观结构胞元。

采用细观有限元方法建立了材料宏观等效弹性性能的力学分析模型。

陈光伟等[5]针对三维多向编织复合材料结构件承载细观结构优化设计的问题,以三维编织复合材料T型梁为对象,对其抗弯性能进行模拟分析。

复合材料用有限元分析引言复合材料是由不同类型的材料组合而成的，具有优异的力学性能和轻质化的特点，在航空航天、汽车工程、建筑结构等领域得到广泛应用。

有限元分析是一种常用的工程分析方法，可用于预测复合材料结构在受力过程中的应力和变形情况。

本文将介绍复合材料用有限元分析的基本原理、建模过程、分析方法和结果解读。

有限元分析基本原理有限元分析基于有限元法，将复杂的结构分割成许多简单的单元，再利用数学方法求解这些单元的力学行为，最终得出整个结构的应力和变形情况。

复合材料的有限元分析一般采用3D固体单元或板单元，考虑复合材料的各向异性和层合板的分层结构。

有限元分析的基本原理可以总结为以下几个步骤：1.确定有限元模型：–根据复合材料结构的几何形状和材料性质，选择适当的有限元单元类型。

–确定网格划分方案，将结构划分为单元网格。

–确定边界条件和加载方式，包括约束条件和外部加载。

2.确定单元性质：–根据复合材料的材料力学性质，将其转化为有限元单元的材料刚度矩阵。

–考虑各向异性和分层结构，将材料刚度矩阵进行相应的转换。

3.确定单元相互连接关系：–根据结构的几何体系，确定单元之间的连接关系，包括单元之间的约束和边界条件。

4.求解方程组：–根据单元的刚度矩阵和边界条件，建立整个结构的刚度矩阵。

–考虑加载情况，求解结构的位移和应力。

5.结果后处理：–分析结构的应力和变形分布，评估结构的安全性和性能。

–对结果进行解读和优化。

复合材料有限元分析的建模过程复合材料的有限元分析建模过程与传统材料的有限元分析类似，但在材料性质和单元连接方面存在一些特殊性。

下面是复合材料有限元分析的建模过程的简要步骤：1.几何建模：–根据实际结构的几何形状，利用建模软件（如Solidworks或CATIA）进行3D建模。

–根据复合材料的分层结构，将各层材料的几何形状分别绘制。

2.材料定义：–根据复合材料的材料属性，定义合适的材料模型和参数。

–考虑复合材料的各向异性和分层结构，定义材料的力学参数。

三维编织复合材料细观结构与力学性能分析三维编织结构复合材料作为一种新型高级的复合材料，在国外得到迅速的发展，而国内对于这种结构复合材料的研究相对较少。

本文采用控制体积单元法与试验观察相结合的方法研究了三维编织复合材料的细观结构，并采用数值计算方法分析了三维编织复合材料的弹性性能，具有一定的理论价值和实际工程意义。

三维编织结构复合材料是完全整体、连续、多向的纺线(纤维束)的网络，充填以延性材料，这类新材料已失去通常复合材料的层合板概念，由此，层合板复合材料层间脆弱的致命弱点在编织结构复合材料中得到克服，所以编织结构复合材料具有高的强度和刚度(包括在厚度方向)，接近实际形状的制造，高的冲击韧性、高的损伤阻抗，和按实际设计要求的特定的航空航天方面的使用功能，因而广泛地受到工业界和学术界的关注。

文中从三维编织物的编织工艺入手，得到编织复合材料的几何结构，建立了织物纱线构造模型(FAM-Fabric Architecture Model)，进而分析其力学性能；另外，通过试验研究了这种复合材料的力学性能。

主要的研究内容包括以下几个方面：系统地研究了采用四步法1×1方型编织工艺编织的预成形件及其增强的复合材料的细观结构。

提出了纱线椭圆形横截面假设，考虑了编织纱线的细度和编织纱线填充因子的影响。

根据编织过程中携纱器的运动轨迹特点，将预成形件划分为三个不同的区域，分别定义了不同的控制体积单元，识别了预成形件的两种局部单胞模型，分析了预成形件的纱线构造，并导出了编织结构参数之间的关系，同时给出三维编织复合材料的设计方法。

主要的编织结构参数包括试件的外形尺寸、主体纱行数和列数，三个区域各自所占的体积百分比、编织纱线的细度、纱线填充因子、纤维体积含量、编织角以及编织花节长度。

以精确的复合材料单胞模型为基础，从最小的可重复的单胞入手，对单胞的结构进行简化分析，认为纤维是平直的，将单胞中的四个不同方向的纤维束看成是空间四个不同方向的单向复合材料，纤维束的性能可以等价于单向复合材料的宏观性能。

复合材料学报第22卷　第5期 10月　2005年A cta M ateriae Co mpo sitae SinicaVo l .22N o .5O ctober2005文章编号:1000-3851(2005)05-0155-07收稿日期:2004-11-09;收修改稿日期:2005-01-07基金项目:航空科学基金资助项目(04B51045)通讯作者:卢子兴,教授,主要研究方向为复合材料力学、泡沫材料力学　E -m ail :lu zixing @buaa .edu .cn三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析杨振宇1,卢子兴1,*,刘振国1,李仲平2(1.北京航空航天大学固体力学研究所,北京100083;2.航天材料工艺研究所,北京100076)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。

关键词:　三维编织;复合材料;有限元;等效弹性性能;应力场中图分类号:　T B 330.1 文献标识码:AFINITE ELEMENT ANALYS IS OF THE MECHANIC ALPROPERTIES OF 3-D BRAIDED C OMPOSITESYANG Zhenyu 1,LU Zixing1,*,LIU Zhenguo 1,LI Zhongping2(1.Institute of Solid M echanics ,Beijing U nive rsity o f A eronautics and A stro nautics ,Beijing 100083,China ;2.I nstitute o f S pace M aterial Technolo gy ,Beijing 100076,China )A bstract :　O n the basis of av ailable studies ,a new mo del of representa tive v olume elements o f 3-D braided com -posite s is pro po sed ,which truly reflects the braided manner and co incides with the actual co nfigura tion o f the brai -ded co mpo sites.It can be used to predict the effective modulus of 3-D braided com po sites with F inite Element M e th -o d (FEM )a nd determine its stre ss field in reason.T he finite element so ftw are was ado pted to study the mecha nical propertie s of this mo del ,and the effective pr opertie s of elasticity we re obtained.T he results sho w that the o ne s o f finite element calculatio n fit well with the ex perimental re sults and theo retical predictio n ,w hich demo nst rates the validity o f this mode l.I n additio n ,based o n the new model ,the stress field of 3-D braided co mpo sites in tension o r shearing is determined ,w hich pro vides the basis fo r streng th calcula tion in the future.Keywords :　three dimensional braiding ;compo site s ;FEM ;effective elastic pro pe rties ;stress field 随着计算机应用的普及和各种有限元计算方法及理论的发展,用有限元分析来预报复合材料力学性能的工作不断涌现,但相对而言,对编织复合材料的力学计算还不多见,且由于编织复合材料结构的复杂性,所以目前的分析模型一般均包含有较多的脱离实际的假设。

三维编织复合材料圆管轴向力学性能试验研究【摘要】本文针对三维四向、五向编织T700/环氧树脂复合材料，采用四步法编织工艺，编织圆管预成型件，利用V ARTM工艺固化成型，并进行拉伸和压缩试验，得到两类材料圆管的轴向性能数据。

试验结果表明：三维四向和五向复合材料圆管轴向性能在破坏前基本保持线弹性，四向材料拉伸和压缩模量相近，五向材料压缩模量大于拉伸模量，两者拉伸强度均远大于压缩强度，且五向材料破坏具有脆性特征。

此外，三维四向编织复合材料的轴向力学性能低于三维五向编织复合材料。

【关键词】三维编织；复合材料；圆管；轴向性能Research on Axial Performances of 3D Braided Composite Circular TubesHUANG Yu-ni1LIU Zhen-guo2( 1. Shanghai Aircraft Design Research Institute, Shanghai, 200232, China;2. School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing, 100191, China)【Abstract】Tube performs for the 3D 4-directional and 3D 5-directional materials were produced by four step braiding method and T-700/epoxy composites were made by V ARTM. A study of tensile and compression properties for the two materials were carried out. The results indicate that the axial performances maintain linear elasticity before failure and the tensile strength is much larger than the compressive strength for the two materials. The tensile elastic modulus of the 3D 4-directional material is similar to the compressive elastic modulus. The compressive elastic modulus is larger than the tensile strength for the 3D 5-directional material and the failure?form is characterized by brittle cracks. Moreover, the axial properties of 3D 4-directional braided composites are lower than that of 3D 5-directional braided composites.【Key words】3D braided; Composites; Tubes; Axial performances0引言随着世界航空航天技术的飞速发展，现代航空航天器结构设计提出了大结构尺度和结构超轻型化问题[1]。

四步法三维编织复合材料弯曲疲劳行为实验研究刘瑞强;赵强【摘要】The bending fatigue behavior of a kind of 3 - D braided composite was tested by MTS 810.23 instrument. All the tests were run at a stress ratio R(δmin,/δmax) = 0. 1 . The bending fatigue frequency was 3 Hz. The Data was got through quasi - static three - point bending and fatigue tests under different stress levels. Analyzing the Data which achieved during the MTS 810.23 bending fatigue tests ,we could get the α - N curve and the deflection of maximum and minimum curves . Fatigue mechanism was revealed based on comparing the material damage mode under different stress levels. The experimental results :under the load of 50% stress level ,there is still no damage in the sample after more than 106 cycles . The number of 80% ,70% and 60% under the stress of material failure are 12 833,50 370 and 101 652 respectively. Under the material fatigue loading, the stiffness degradation and deflection show the same tendency . The material bending fatigue limit is 50% , the α - N curve submits three stops. The material under low stress level of the fatigue life of the discrete is higher than the high stress level.%采用MTS 810.23仪器对一种四步法三维编织复合材料结构在应力比为R（σmin/σmax）=0.1、频率为3Hz正弦波条件下进行三点弯曲疲劳测试,研究三维编织复合材料弯曲疲劳性能。

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。

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【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.【期刊名称】《甘肃科技》【年(卷),期】2012(028)009【总页数】3页(P56-58)【关键词】有限元建模;三维四向编织;ABAQUS;RVE【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】TB332三维编织复合材料是三维编织技术和现代复合材料相结合的产物，其具有厚度方向强度及剪切性能高等优异的结构完整性性能，结构设计灵活，倍受工程界和学术界的关注，逐渐应用于航空、航天、民用建筑及医疗等领域［1］。

随着计算机运行速度的提高，计算机模拟技术正以其高效率、低成本的优势，成为现代科研、设计与制造过程中不可缺少的技术手段。

通过计算机模拟的手段来实现对现代先进材料的设计、制备以及性能预测，已成为国内外较普遍的研究方式。

计算机仿真的前提条件就是要在计算机上建立合理的三维编织复合材料的编织结构模型。

目前，国内外已有这方面的研究，主要运用有限元软件ANSYS，通过APDL 程序编程绘图，或用计算机绘图软件绘制如Solidworks、3DMAX［2-3］。

ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题［4］。

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。

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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三维编织复合材料编织几何和力学性能的细观分析本文研究了三维编织复合材料的细观编织几何结构和细观力学数值模型,论文包括如下三个方面的工作:(1)从四步法编织工艺入手,分析了三维编织物中纱线的运动规律,模拟了横截面内任一纱线的空间运动轨迹,在此基础上提出了一种新的单胞划分方法;对实际的三维编织复合材料连续切片照相,并对细观照片进行图象处理,得到内部、表面和角点处纤维束横截面的形状和纤维束的空间走向,为细观力学建模提供了依据。

(2)在细观几何分析的基础上,建立了三维细观有限元单胞模型,讨论了不同区域纤维束填充因子的选取和单胞合理边界条件的施加方法,计算了内部、表面单胞的平均弹性常数。

研究了内胞、面胞的弹性常数随纤维体积含量的变化关系。

(3)在(2)的研究基础上,用三维有限元模型预测了三维编织复合材料试验件的弹性常数,并将结果同倾斜层板模型进行了对比分析,用试验验证了细观力学模型的可靠性。

对具有不同表面单胞体积含量三维编织复合材料进行了弹性常数的分析,得出表面编织尺寸效应对材料整体性能影响的规律。

三维四向编织复合材料试验模态分析的开题报告一、选题背景和意义复合材料具有高强度、高刚度和低密度等优点，广泛应用于航空、汽车、船舶等领域。

其中，三维四向编织复合材料由多层纤维以交织方式编织成复杂的三维结构，具有优异的力学性能和热稳定性，应用前景广阔。

在综合考虑三维四向编织复合材料的力学性能和制备工艺的基础上，需要对其进行试验模态分析，以评价其在实际工程中的动态性能。

因此，本研究针对三维四向编织复合材料的试验模态分析进行研究，旨在为该材料的实际应用提供科学的理论和技术支撑。

二、研究目标和内容研究目标：探究三维四向编织复合材料的试验模态分析方法，评价其在实际工程中的动态性能。

研究内容：1.对三维四向编织复合材料的制备工艺进行介绍，阐明其结构特点和力学性能。

2.对三维四向编织复合材料的试验模态分析方法进行研究，包括模态试验的原理和方案、模态分析的理论基础和计算方法等。

3.根据所得试验数据进行模态分析，得到试验模态，并与理论模态进行对比，验证其准确性和可靠性。

4.通过对比不同材料条件下的试验模态，分析不同因素对三维四向编织复合材料试验模态的影响。

5.对研究结果进行分析和讨论，提出相关建议和措施，为该材料的实际应用提供理论和技术支撑。

三、研究方法和技术路线研究方法：综合应用实验测试、有限元模拟和统计分析等方法，对三维四向编织复合材料的试验模态进行研究。

技术路线：1.收集三维四向编织复合材料的相关文献和研究资料，分析其制备工艺和力学特性。

2.设计模态试验方案，配置试验设备，进行试验测试，获取试验数据。

3.通过Matlab等软件实现有限元模拟分析，得到理论模态。

4.采用模态分析方法对试验数据进行处理和分析，得到试验模态，并与理论模态进行对比。

5.通过统计分析方法对结果进行评价和总结，提出相关建议和措施。

四、预期成果和研究价值预期成果：1.深入了解三维四向编织复合材料的制备工艺和力学特性。

2.掌握三维四向编织复合材料试验模态分析的方法和技术。