二维三轴编织复合材料预压单胞模型建立及其弹性规律数值预测
三维编织复合材料力学性能研究进展
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。
二维二轴编织复合材料细观力学分析的开题报告
二维二轴编织复合材料细观力学分析的开题报告题目:二维二轴编织复合材料细观力学分析摘要:本文研究二维二轴编织复合材料的细观力学性质,通过建立基于微结构的数学模型和有限元分析方法,对复合材料的力学行为进行定量和定性研究。
主要内容包括:1)对编织结构进行建模和描述;2)在有限元分析框架下,探索各向异性和非各向同性材料的力学性质;3)提出一种新的多重单元有限元模型,旨在快速而准确地预测复合材料的宏观行为;4)将模拟结果与实验结果进行比较和验证。
背景:二维编织复合材料具有轻质高强的优点,因此广泛应用于空航、航空、汽车、医疗等领域。
复合材料的性能取决于其微观结构,例如纤维取向、层间距离、纤维交错等,这些微观细节对宏观力学行为产生了不可忽略的影响。
因此,深入理解复合材料的微观力学性质对于材料性能的优化和应用具有重要意义。
目的:本文旨在通过建立基于微观结构的数学模型和有限元分析框架,揭示二维二轴编织复合材料的微观力学性质,探索其宏观力学行为,并为复合材料的设计和应用提供理论依据和实验指导。
方法:本文采用数值模拟和有限元方法,并结合实验数据进行验证。
具体步骤包括:1)建立二维二轴编织复合材料的数学模型;2)从微观结构上分析材料的各向异性和非各向同性特性;3)使用有限元方法模拟复合材料的宏观行为;4)将模拟结果和实验结果进行比较和验证。
预期结果:通过本研究,预计可以揭示二维二轴编织复合材料的微观力学性质,并进一步探索其宏观力学行为,包括力学特性和变形行为。
此外,本研究还将提出一种新的多重单元有限元模型,该模型可快速而准确地预测复合材料的宏观性能。
此外,我们还希望本研究能够为复合材料的应用提供理论依据和实验指导。
三维编织复合材料细观结构与力学性能分析
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。
二维两轴编织铺层复合材料压缩弹性性能的一种计算方法
二维两轴编织铺层复合材料压缩弹性性能的一种计算方法徐倩;阎建华
【期刊名称】《纤维复合材料》
【年(卷),期】2016(033)004
【摘要】通过在体式显微镜下,观测编织铺层复合材料纱线走向,考虑纱线在交织处屈曲起伏,纤维轴向模量会有部分损失,提出纤维轴向模量损失系数§.通过测量编织复合材料中的基本参数,结合复合材料细观结构、弹性力学、迭层理论和多层等效弹性力学模型,利用推导出一套比较简单而实用的二维两轴编织铺层复合材料平均压缩模量的计算方法.实验结果表明:理论计算值与实测值吻合度较高,为编织复合材料的工业应用提供了一种简单而实用的弹性性能计算方法.
【总页数】7页(P18-24)
【作者】徐倩;阎建华
【作者单位】纺织面料技术教育部重点实验室,上海201620;东华大学纺织学院,上海201620;东华大学研究院,上海201620
【正文语种】中文
【相关文献】
1.二维二轴单向编织铺层复合材料拉伸性能的研究 [J], 施丽;阳玉球;阎建华
2.二维二轴编织铺层复合材料细观几何模型及拉伸模量的一种计算方法 [J], 柯常宜;覃小红;阎建华
3.二维三轴编织铺层复合材料开孔前后弯曲性能 [J], 朱露露;阎建华;顾海麟
4.二维二轴编织铺层复合材料压缩性能的研究 [J], 徐倩;阎建华
5.二维单轴与二轴编织铺层复合材料压缩性能 [J], 赵青青; 汤美晶; 阎建华
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二维编织复合材料弹性模量分析
二维编织复合材料弹性模量分析何周理;徐德昇【摘要】二维编织C/SiC陶瓷基复合材料具有比强度和刚度高、密度低、抗疲劳、耐磨损、耐腐蚀、成型工艺好等特点.利用单胞有限元法和修正混合法则计分析了二维编织C/SiC复合材料的弹性模量.分析结果与试验值在一定误差范围内吻合较好,证明了两种弹性模量分析方法的可靠性.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】3页(P51-53)【关键词】二维编织;复合材料;弹性模量;混合法则;单胞【作者】何周理;徐德昇【作者单位】上海飞机设计研究院,上海201210;上海飞机设计研究院,上海201210【正文语种】中文【中图分类】TB332二维编织复合材料是一种非常典型的多相材料,径向纤维束与纬向纤维束上下相互交织,形成近似正弦(余弦)线形式的细观纤维束结构,如图1所示。
其力学性能主要由两个因素决定:一是,由复合材料中每一组成材料的材料性能决定(如弹性模量、泊松比等);二是,由复合材料内部的细观结构特征决定的(如增强纤维的形状、几何尺寸以及编织角度、孔洞、裂纹等等)[1]。
对于二维编织复合材料力学性能,除了通过试验手段来获得外,还可通过一定的计算方法进行估算。
如经典的复合材料混合计算法则以及有限元单胞模型计算。
在本文中将分别使用这两种方法计算二维编织C/SiC复合材料的等效模量。
复合材料等效模量有不同的理论计算方法,其中复合材料混合法则是一种简单而有效的方法,混合法则简单地将复合材料的力学特性表示为组分材料特性的线性叠加。
对于复合材料的弹性模量,混合法则的表达式为[2]:其中:EC、Ef和Em分别表示复合材料、纤维和基体的弹性模量;Vvf表示纤维的体积分数。
混合法则可以很准确地预测单向复合材料的弹性模量,但是对于二维编织复合材料却不适用。
针对二维编织复合材料的结构形式,有人提出了一种修正的弹性模量混合法则[3],表达式为:其中:EC、Ef和Em分别表示复合材料、纤维和基体的弹性模量;Vvf表示纤维的体积分数;Vvm表示基体的体积分数。
编织复合材料的细观结构与力学性能
3D编织复合材料的细观构造与力学性能摘要归纳、梳理三维编织复合材料细观构造表征方面较有代表性的单胞模型,分析、比拟各构造模型的优缺点,从理论分析与试验测试两方面总结三维编织复合材料刚度和强度性能的研究成果与进展,讨论细观构造表征与力学性能预报中存在的主要问题,并展望今后的研究重点与开展方向。
关键词三维编织复合材料;细观构造;力学性能Microstructure and Mechanical Properties of3D Braided CompositesABSTRACT Typical unit cell models on microstructure of 3D braided composites were summarized. Advantages and disadvantages of various models were compared. Developments of research on mechanical properties of 3D braided composites were introduced from theoretical analysis and experimental test perspectives. Finally, problems in the present study were discussed and further development trend is prospectedKEYWORDS 3D braided composites; Microstructure; Mechanical properties1 引言三维编织复合材料是20世纪80年代为满足航空航天部门对高性能材料的需求而研发出的先进构造材料,具有高度整体化的空间互锁网状构造,可有效防止传统层合复合材料的分层破坏,冲击韧性、损伤容限与抗疲劳特性优异,构造可设计性强,可以实现异形件的净尺寸整体成型,因此在构造材料领域倍受关注。
编织复合材料预制体铺覆成型的数值模拟
编织复合材料预制体铺覆成型的数值模拟王波;李昂;杨振宇【摘要】针对平面编织复合材料预制体在曲面铺覆过程中的局部变形,建立了三维有限元模型,利用商业有限元软件Abaqus模拟了预制体在铺覆成型过程中的纤维束变形规律.研究了0°和45°碳纤维织物在球面铺覆过程的变形过程和局部剪切变形.结果表明,纤维束之间的滑动和纤维束起皱是该预制体在球面铺覆过程中的典型变形模式.在0°织物的球形铺覆变形中,0°和90°纤维束的剪切变形角最小,45°方向纤维束的剪切变形角最大;在45°织物的铺覆变形中,0°和90°纤维束的剪切变形角最大,45°方向纤维束的剪切变形角最小.【期刊名称】《宇航材料工艺》【年(卷),期】2019(049)002【总页数】5页(P19-23)【关键词】编织复合材料;预制体;铺覆成型;有限元法【作者】王波;李昂;杨振宇【作者单位】中国航空工业集团有限公司防务工程部,北京100022;北京航空航天大学固体力学所,北京100083;北京航空航天大学固体力学所,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TB30 引言编织复合材料在航空航天、船舶和汽车等领域具有非常广泛的应用。
随着结构的复杂程度不断提高,编织复合材料常常需要制备具有复杂曲率的三维结构,比如球面、锥面等[1]。
平面编织复合材料在纤维铺覆过程中,需要根据结构的形状对预制体施加预先的变形,因此铺覆过程中纤维的位置、纤维取向和局部纤维体积分数会重新分布。
复合材料内部的纤维分布和取向决定了各类载荷作用下的复合材料内部的传力路径,纱线束之间的相互作用形式也决定了复合材料的损伤和破坏机制[2]。
因此,获取预制体铺覆成型后纤维束的变形规律,对于认识最终复合材料结构的整体力学性能至关重要。
关于纤维预制体的在铺覆过程中的变形研究,受到国内外学者的广泛关注。
四步法三维编织复合材料力学性能的有限元分析
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。
计算力学2--弹性力学二维及三维问题的加权残值法解
第二章弹性力学二维及三维问题的加权残值法解§2-1 引言我们知道在弹性力学中,如果有一个平面体(如薄板)受到平行于该平面体中面的外力的作用,于是就在该平面体中产生了也平行于中面的内力,这就构成了弹性平面应力问题。
如果有一棱柱形的物体,两端受到垂直于棱柱轴线且沿柱轴不变的外力作用,垂直于柱轴的棱柱体的切片中的应力变形状态就属于平面应变状态,亦即构成了弹性平面应变问题。
弹性平面问题在工程技术问题中遇见较多,如深梁,平面弯曲的直梁,曲梁及变截面梁,受中面静力作用或惯性力等作用的各种形状的板及盘,平板开孔挖槽的应力集中问题,开孔剪力墙,厚壁筒,各种管道,水坝,隧道,涵洞,机械零件的切片,弹性平面的接触问题都属于这类问题。
研究弹性平面体的应力变形问题的分析方法具有重要的实际意义。
弹性物体中长,宽,高都属于等量级的,如房屋基础,机器底座,厚板及厚壳,无限大及半无限大弹性体,及一切实体结构物的应力和变形的问题需应用弹性力学三维理论方法进行分析。
在一般情况下,这种弹性体在外力作用之后,物体中任一点有三个位移分量,六个独立的应力分量和六个应变分量,比较复杂。
无论弹性平面问题或是三维问题,解析法一般只能分析几何形状比较规则,载荷作用情况及边界条件比较简单的弹性体。
外形,载荷和边界条件比较复杂的弹性平面体或三维固体需依靠如差分法,有限元法等数值诸方法才能进行分析,其中以应用有限单元法更为广泛。
有限单元法发展已有30余年历史,比较成熟,应用广泛,且有现成的计算机程序可用,但是这种方法以离散后的结构物代替原有的结构物,抛弃可用的解析解太多,程序复杂,输入的工作量大,对于计算机要求较高,误差难估。
特别将有限元方法用于解弹性三维问题,工作量比较巨大。
所以,发展一种与有限元法并行,可供选择应用的数值计算方法很有必要。
自从1978年以来,国内将加权残值法用于弹性平面问题,已有较多的开发研究工作。
西南交大徐文焕及陈虬首先将加权残值法用于解算弹性平面问题和三维问题,此后浙江大学丁浩江、谢贻权及范本隽等在加权残值法中对于直角坐标平面问题作了重要的补充并又发展了极坐标弹性平面问题解法,计算效果良好。
三维四向编织复合材料力学性能预测及实验验证
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。
三维编织复合材料几何建模及有效弹性模量预报
六面体 , 纤维束 占据了六面体的四个体对角线 , 因此, 三维编织复合材料可 以看成是许 多单胞结构 的组合
体。为了简化分析 , 假设在单胞的中心点处纤维束 由 于相互作用而产生的互锁与弯曲被忽略。
2 三维 四向编 织复合材料有 限元模型
将三维四向编织复合 材料单胞划分为一些矩形 网格 , 如图 1 a 所示。形成若干个子单胞, () 将子单胞
应 用 与试 验
・
机械研究与应用 ・
三 维 编 织 复合 材 料 几何 建 模及 有 效 弹 性 模 量 预 报
屈
( . 东轾工业学院, 东 济南 1山 山
枫
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20 5 ; . 5 33 2 枣庄科技职业学院 , 山东 滕州
摘
要: 重点介绍 了三维四向编织复合材料 的有 效弹性模量预报 方 法, 三维 四项编织复合 材料的单胞 划分为 一些 将
Q F n u e g’
( . h nogl h i ute clg , ia h nog 2 05 ,hn ; 1S a dn g tn si o ee JnnSa dn 53 3 C i i d rs l a 2 Z oha gsi c a t h o g ct nl oee egh uS a dn 27 0 C i ) . azu n e e n e n l yv aia lg ,Tnzo hno g 7 50,hn c n d c o o o c l a
Ab ta t n t e a t l ,o u i go h r dci n meh d o e tr e d me s n l o r r d d c mp st f cie mo u u , s r c :I h r c e fc s n t ep e it to f h e - i n i a u a e o o i e e t d l s i n o t h o f bi e v i t h e - i n in f u ri e o o i sn l el sd vd d i t o tn ua o y u i,t e sn h — f s y t e t re d me so a o rb a d d c mp st i ge c l i i ie no s me rc a g lrb d n t h n u ig t e ma rl h l e e t r a a tri e Ga s n e r lp i t o c c l t h t n sma r ft eu i,f al ,t e w oe c l si n s t x i e a p r mee t u s it ga on a ua e si e t x o nt i l i l n h t l t i f i h n y h h l el t e s mar s f i f r d b h lme ts fn s t x,a d t e h fe t e mo u u ft e3 fu r i e o o s e c u d b r d c e . ome y t e e e n t e s mar i i n h n t e e ci d ls o D rb ad d c mp i o l e p e itd v h o t Ke r s:te t r e d me s n r i e o o i tras i ge c l;e e t e ea t d ls y wo d h h e - i n i a b ad d c mp st ma ei ;sn l e ol e l f c i ls i mo u u v c
二维二轴编织复合材料细观几何模型及拉伸模量研究
二维二轴编织复合材料细观几何模型及拉伸模量研究为了更加合理有效地运用二维二轴编织铺层复合材料,需要模拟计算二维二轴编织铺层复合材料的各项具体拉伸性能指标,为此本文通过分析编织复合材料的细观结构特征,建立一套工程实用的二维二轴编织铺层复合材料单层和多层的细观几何结构模型和等效力学模型,并提出一套多层编织铺层复合材料拉伸模量的数值计算方法。
最后结合拉伸断裂图像和拉伸实验数据分析复合材料拉伸断裂机理,通过研究二维二轴编织铺层复合材料拉伸断裂性质与结构的关系,总结出编织复合材料的拉伸断裂规律,进而更好地应用于实际生产。
本课题研究借鉴前人对复合材料研究的理论基础。
考虑到纤维屈曲是其模量损失的根本原因,结合实际编织复合材料的纱束横截面形态和屈曲起伏结构,还有编织工艺和固化工艺影响因素。
提出模量损失等效观点,并建立二维二轴2×2编织结构组织单胞模型,纤维纱束起伏屈曲细观几何模型和相对应的等效力学模型。
根据假设模型给出具体的数值计算方法。
实验数据表明:由本文提出的屈曲损失模型和等效力学模型计算得出的有效模量数值高于目前文献计算精度,并且操作更简单。
对于编织复合材料面内拉伸模量,参照分析前人的相关处理方法,本课题结合实际编织复合材料面内几何特征,考虑到实际的生产使用条件,假设等效编织复合材料为斜交对称铺层复合材料,应用其相关理论和方法,进行合理地面内正轴-偏轴转换,最终处理得到编织复合材料面内偏轴方向的有效拉伸模量数值。
关于多层编织铺层复合材料,观察多层铺层间的几何结构,根据实际结构建立多弹簧并联模型,并根据力学模型推导出具体拉伸模量的数值计算方法,该方法简单易操作。
最终实验数据结果表明:在拉伸模量数值变化趋势上计算值与实验值一致。
具体数值结果上也吻合很好,表明假设模型的合理性和计算方法的有效性。
对于编织铺层复合材料拉伸断裂机理,本课题结合实际拉伸数据和具体拉伸试样断裂破坏方式。
分析阶段性拉伸断裂过程复合材料试样内部结构的变化,针对非常规破坏方式,结合具体试样给出了分析,对拉伸断裂破坏的一般性方式给出了较为客观的阐述,并分析了相关断裂破坏机理,为后续二维编织复合材料的拉伸断裂研究提供一定的理论依据。
三维编织的弹性纤维复合材料的性能数值计算及应力分布
三维编织的弹性纤维复合材料的性能数值计算及应力分布一、实验名称:三维编织的弹性纤维复合材料的性能数值计算及应力分布学时数:4学时面向专业:纺织工程二、实验目的三维编织复合材料是利用编织技术首先将增强纤维织造成三维整体织物,再和基体(包括树脂、碳、碳化硅、金属等)复合,从而制成复合材料制件,所以在三维编织复合材料制件中没有层的概念。
编织结构复合材料以纤维预成型件作为增强体,从根本上消除了单向和层压复合材料层间强度低、易分层、抗冲击性能差、开裂和损伤容限低等缺点和不足,能大幅度提高复合材料的强度和刚度,并可显著提高复合材料韧性,因此,在高性能复合材料方面的应用越来越广泛。
纤维编织体作为复合材料的增强和增韧相,其编织结构对复合材料的性能有着重要影响。
但是,三维编织的纤维复合材料其编织工艺、材料的选用以及力学性能的表征等问题都是现有实验教学设备所不能完全覆盖的。
本仿真实验要求:用有限元法(COMSOL 4.2a)预测三维编织复合材料的有效弹性性能。
在二步法方型三维编织复合材料细观结构大单胞模型的基础上, 考虑复合材料中纤维束的连续性及其空间的交织效应,分析计算轴向弹性模量和泊松比。
三、现有设备及台套数现有正版仿真软件COMSOL 4.2a一套,主机/客户机运行许可4个,可同时在5台电脑运行仿真计算模块。
四、实验内容利用有限元法(COMSOL 4.2a)预测二步法三维编织复合材料的有效弹性性能。
在二步法方型三维编织复合材料细观结构大单胞模型的基础上, 考虑复合材料中纤维束的连续性及其空间的交织效应。
同时, 以轴向拉伸性能测试试样为对象, 应用有限元软件的结构静力分析部分计算轴向弹性模量和泊松比, 并比较数值计算结果与实验结果。
五、代表性实验结果图1 三维四向纤维编织物(a)及其断面(b)。
图2 三维(2.5D)纤维编织物(a)及其断面(b)。
三维编织复合材料几何建模及弹性常数预测
三维编织复合材料几何建模及弹性常数预测
孙晓强;魏高峰;刘国永
【期刊名称】《山东轻工业学院学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2011(025)001
【摘要】根据三维编织复合材料的结构特点,把整体结构分为内部单胞、表面单胞和角单胞三种类型的子单胞,考虑空间纤维束的相互扭结和挤压所造成的纤维束的弯曲和截面变形,针对每种类型的子单胞,建立了相应的几何分析模型.引入体积平均法,建立了材料的弹性性能预报模型,得到了三维编织复合材料的工程弹性常数.通过数值比较可以看出,得到的数值计算结果与实验结果吻合较好,从而验证了模型的有效性.
【总页数】5页(P41-44,58)
【作者】孙晓强;魏高峰;刘国永
【作者单位】山东轻工业学院,机械工程学院,山东,济南,250353;山东轻工业学院,机械工程学院,山东,济南,250353;山东轻工业学院,机械工程学院,山东,济南,250353【正文语种】中文
【中图分类】O340;O343.8
【相关文献】
1.一种含特定微裂纹缺陷三维编织复合材料弹性常数预报方法 [J], 梁军;杜善义
2.三维编织复合材料几何建模及有效弹性模量预报 [J], 屈枫
3.几何外形和疏密分布对弹簧有效弹性常数的影响 [J], 马力
4.三维编织复合材料细观几何建模及动态力学性能的研究进展 [J], 谭焕成;覃文源;刘升旺;刘文;陈璐璐;王祯鑫
5.用几何平均模型计算多晶材料的X射线弹性常数 [J], 张铭;郑茂盛;何家文
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三维编织复合材料几何建模及弹性常数预测
c r e n tc l ,s prpo e o n r u i el i o s d.T e v ra in o e d n haa t rsis a d c o ss cin ld f r t n f r h a t fb n i g c r ce it n r s -e to a eo mai i o c o o
图 2 纤维 束 横 截 面 形 状
,
12 表面单 胞和 角单胞 .
UW, P U轴为对 角线 1 一1 W轴位 于单 胞 l一1对 角 ,
面内, 轴垂 直 于 u—W平 面 。纤维 束 1—1位 于坐
根 据 三维 四 向编 织 复合 材 料 的编 织 工艺 , 面 表
关键词 : 三维编织 复合材料 ; 单胞 ; 弹性性能 ; 工程弹性常数
中 图分 类 号 : 30,3 3 8 0 4 0 4 . 文献 标 识 码 : A
Ge m e r c m o e o h e - i e so a r i e o p st s o t i d lf r t r e d m n i n lb a d d c m o ie
c l u ae aue y t e p e e td mo e l a r ewi h e s rd v l e . ac ltd v l sb h r s n e d lwe l g e t te m a u e a u s Nume c lr s lsv rf h h i r a e u t e y t e i efci e e so h o e . f t n s ft e m d 1 e v K e o ds:h e — m e so a r i e o o ie untc l; lsi r p ry; l siiy c n t n yw r t r e di n i n lb a d d c mp st s; i e l e a t p o e c t ea tct o sa t
复合材料弹性力学特性数值预测研究的开题报告
复合材料弹性力学特性数值预测研究的开题报告本文的研究主要针对复合材料在弹性应变状态下的力学特性进行数值预测的相关研究。
1. 研究背景随着科技的不断发展,复合材料在航空、汽车、船舶、电子等领域得到了广泛应用。
复合材料以其优异的性能,在结构设计中被越来越广泛地应用。
与金属材料相比,复合材料具有重量轻、强度高、刚度高、耐腐蚀等优势。
针对复合材料的力学特性进行数值预测,可以为结构设计提供有力的参考和指导,同时也可以帮助优化材料的性能。
因此,复合材料在弹性应变状态下的力学特性的数值预测研究具有重要的实际意义。
2. 研究目标本文的研究目标主要包含以下几个方面:(1) 建立适用于复合材料弹性力学特性数值预测的模型和算法。
(2) 研究复合材料在弹性应变状态下的力学特性,包括应力、应变、应变能等。
(3) 对复合材料力学特性进行数值模拟和预测,比较不同材料结构或不同加载条件下的力学特性差异。
(4) 对预测结果进行分析和解释,探讨复合材料弹性力学特性规律和影响因素。
3. 研究方法本文的研究主要采用数值模拟和预测的方法,重点探讨复合材料在弹性应变状态下的力学特性。
具体地,本研究将采用以下几种方法:(1) 建立复合材料的几何模型和材料模型,包括纤维方向、纤维体积分数、基体和界面材料的参数等。
(2) 利用有限元方法对复合材料的力学特性进行数值模拟,计算应力、应变、应变能等关键特性参数。
(3) 使用高性能计算技术,进一步提高预测精度和效率。
(4) 对预测结果进行分析和解释,探讨弹性力学特性规律和影响因素。
4. 研究意义与创新点(1) 通过数值模拟和预测,探讨复合材料弹性力学特性的规律和影响因素,为提高材料的性能提供实际指导,为结构优化设计提供参考。
(2) 利用高性能计算技术,提高预测精度和效率,缩短研发周期,降低研发成本。
(3) 建立适用于复合材料弹性力学特性数值预测的模型和算法,为相关领域的研究和应用提供新的思路和方法。
(4) 从理论上和实践上,拓展了复合材料的应用范围和升级换代。
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二维三轴编织复合材料预压单胞模型建立及其弹性规律数值预测张芳芳; 段永川【期刊名称】《《纺织学报》》【年(卷),期】2019(040)010【总页数】7页(P85-91)【关键词】体素网格; 刚度预报; 参数化单胞; 二维三轴编织; 复合材料【作者】张芳芳; 段永川【作者单位】燕山大学机械工程学院河北秦皇岛066004; 燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室河北秦皇岛066004【正文语种】中文【中图分类】TB332二维三轴编织复合材料由3个方向的纤维束在平面内相互编织而成,这样在不同角度下可兼顾材料的横向力学行为,有效克服传统层合板力学性能差的缺点。
由于编织复合材料中纤维束相互交织,因此,编织纤维束的截面形状在不同位置会发生畸变,构造实际的纤维束几何模型已十分困难,如果再对纤维束几何模型离散网格构造有限元模型更加困难。
目前多数学者都是基于一定的模型简化来构造编织复合材料的几何和有限元网格模型。
Tsai等[1]采用弹簧单元建立了简化的单胞网格模型,并对弹性力学参数进行了预测。
Miravete等[2]通过沿编织方向增加4条边界线,建立了简化的“米”字形单胞模型,虽降低了构造模型的难度,但也降低了复合材料弹性、损伤等力学性能的预测精度。
Benzley等[3]通过模拟对比得出,六面体单元具有更多的自由度和抗畸变能力,在力学性能预测时能得到更高的精度[4-5]。
Kim等[6]采用一种体素单元法建立了复合材料模型,该方法在表征复合材料两相材料的交界面时精度降低,但这种方法随着分辨率的提高,可消除这个问题。
Gao等[7]假设纱线横截面为矩形,建立出二维三轴编织预制件的动态几何模型。
严雪等[8]基于传统有限元建模方法建立了考虑纤维束弯曲扭转和空间交错特征的有限元模型,并预测了其弹性性能规律。
Kier等[9]假设纤维束横截面为椭圆形,编织纤维束路径为正弦曲线,利用CAD软件生动再现了二维三轴编织复合材料的几何模型。
张芳芳等[10-11]基于直线的纤维束路径建立了三维编织复合材料模型,并对其进行了损伤分析,然而当纤维束路径波动较大时预测误差会逐渐增大。
目前学者大都利用简化模型对材料的微观形态进行表征,但复合材料纤维束在固化时会受到一定的挤压变形,空间形态改变会对材料的弹性及损伤等性能造成影响。
基于此,本文提出基于力学原理考虑空间挤压的模型快速建立方法。
利用变形后纤维束空间分布及形态再形成体素单胞模型,基于该模型预测了二维三轴编织复合材料的弹性规律。
1 细观几何模型1.1 编织结构二维三轴编织复合材料的编织结构如图1所示。
复合材料由3个方向的纤维束组成,其中与y轴平行的为直纤维束,另外2个方向为编织纤维束,他们沿着轴向纤维束相互交织,在z轴方向上看,轴向纤维束位于2个编织纤维束中间,在厚度方向上轴向纤维束位于材料中间。
图中白色框为一个周期单元,称为一个单胞,其宽度为W,高度为L,编织角指轴向纤维束与编织向纤维束所夹的锐角(见图1中α),单胞内编织向纤维束长Lb。
在图中所示坐标系下,y轴与复合材料轴向纤维束的轴线平行,x轴与复合材料轴向纤维束的轴向垂直。
z轴与复合材料的厚度方向平行。
图1 二维三轴编织复合材料的结构示意图Fig.1 Structural representation of 2-D triaxial braided composite将纤维束中心线定义为空间函数,选用三次样条曲线描述纤维束路径,其中第i段样条曲线pi(t)的参数方程一般形式为pi(t)=Ai+Bit+Cit2+Dit3(1)式中:t为该样条曲线的参数,0≤t≤1, i=0,1,…,n-2,Ai、Bi、Ci、Di分别为第i 段样条曲线的幂次项系数向量。
该方程是在单胞内定义,在单胞两端面上要满足几何连续性,在样条曲线的起始点处应满足的连续条件为p″0(0)=p″n-2(1)(2)为验证样条曲线建立的正确性,在空间取了5个坐标点,每个坐标点的坐标分别为(0,0,0),(0.5,0.7,0.4),(1,0.6,0.0),(1.5,0.7,-0.4)和(2,1.2,0)。
在边界约束条件下生成的周期样条曲线如图2所示。
可以看出,样条线光滑连续,可以满足实际要求。
图2 周期性空间样条曲线Fig.2 Periodic spline curves参考文献[12]中的纤维束横截面拓扑形状,将纤维束的横截面假设为透镜形,如图3所示。
透镜形纤维束横截面由半径分别为r1和r2的2个圆相交而得,2个圆各自偏离图中坐标系横轴的距离是o1和o2。
参数r1、r2、o1和o2可根据透镜的宽度w、高度h和偏移距离d计算得到。
图3 透镜形纤维束截面Fig.3 Lenticular fiber bundle section透镜形横截面的参数方程为:(3)(4)(5)(6)(7)1.2 编织结构参数根据图1所示几何关系,单胞内编织向纤维长Lb为(8)式中:L为单胞高度,mm;α为编织角,(°)。
定义轴向纤维束横截面面积为Aa及圆弧段所对圆心角为αa,其计算公式分别为:(9)(10)式中:ra为圆弧段的半径,mm;w、h分别为透镜形截面的宽度和高度,mm。
同理,可计算出编织向纤维束横截面面积Ab和圆心角αb。
从图1可以看出,在一个矩形单胞模型中含有2根轴向纤维束和4根编织向纤维束,则编织向纤维束和轴向纤维束的体积分别为:Va=2AaLa(11)Vb=4AbLb(12)(13)式中:Va、Vb分别为单胞中轴线纤维束和编织向纤维束的体积,mm3;Aa、Ab 分别为轴线纤维束和编织向纤维束的横截面面积,mm2;La、Lb分别为单胞中轴线纤维束和编织向纤维束的长度,mm;Vf为单胞中的纤维体积含量,%;L、W、H分别为单胞模型的长度、宽度和高度,mm;φ为纱线填充因子,本文认为编织向纤维束与轴向纤维束的纱线填充因子相同。
2 体素法建立有限元模型2.1 单元材料主方向计算纤维束在空间的走向可以用其中心线在空间的走向进行描述,由于纤维束路径的波动导致纤维束各个部位有着不同的材料主方向。
应用有限元方法对实体模型进行离散后,为准确地描述各单元的材料主方向,需要计算单元形心处的材料主方向,如图4所示。
令第i段曲线中某单元的形心点为P,过该点做垂直于纤维束中心线的平面,计算出该平面与纤维束中心线的交点,交点处的参数坐标为tp,该交点沿纤维束走向的切线向量P′i(tp)计算方程为:P′i(tp)·(P-Pi(tp))=0(14)图4 纤维方向求解Fig.4 Fiber orientation solution依据右手法则,确定单元材料坐标系与总体坐标系的变换方向和角度。
本文采用ANSYS软件对有限元模型进行建立和计算,在该软件内采用LOCAL命令为每个单元建立局部坐标系,该坐标系采用2个相对转动角度θxy和θxz定义,如图5所示。
假设一个单元的纤维方向为L(x,y,z),L(x,y,z)与图中坐标系的z轴构成一个平面,其法线方向为D(x,y,z)。
图5 材料主方向转角定义Fig.5 Definition of material main direction rotation angle图5中x、y和z轴与全局笛卡尔坐标系的三轴平行,其中θ为y轴与向量D所形成的锐角,β为向量L与z轴所成锐角,2个相对转角θxy和θxz的计算公式为:(15)(16)2.2 挤压力学模型的建立为考虑纤维束间的挤压扭曲影响,首先建立二维三轴编织预制件模型如图6(a)所示。
因预制件未与基质黏接固化,无法构造固化后预制件的周期单胞,对预制件进行预压时,采用材料的真实边界进行约束,一个中心单胞利用其领域内8个单胞进行自然边界的约束。
在预制件有限元模型中纤维上下表面分别加入接触单元,在上下2层分别利用平面进行一定的预压缩,将预制件模型厚度压缩至目标单胞模型厚度,从而得到纤维束呈挤压接触状态下的几何形态。
开发周期单胞提取程序,该程序基于FORTRAN语言编写,具有与ANSYS软件兼容的进出接口,首先将变形后的单元节点信息导出,给出切取单胞的边界盒坐标,在边界面上程序可自动细分单元,完成周期单胞单元提取。
为便于后期处理,提取前对不同方位的纤维束进行集合划分,单元切割程序可保持单元的集合和单元坐标系的继承能力,多个单元可能由一个父单元切割再分而来,这几个单元就要保持与父单元同样的集合和单元坐标系方位。
切割出的增强相单胞网格模型,如图6(b)所示。
切割出的增强相单胞模型单元坐标系方位显示如图6(c)所示。
图6 二维三轴编织预制件网格提取Fig.6 Precast mesh extraction of 2-D triaxial braided. (a) Precast model of 2-D triaxial braided composite;(b) Enhanced phase unit cell mesh;(c) Enhanced phase cell mesh with unit coordinate2.3 体素网格模型的建立应用上述切割算法已经获取了变形后纤维束单胞模型,本文利用体素模型法建立变形后的单胞模型,在该模型区域内填充正方体素单元。
根据已提取的预制件单胞单元来对所填充的正方体素单元进行集合创建与单元坐标系的继承。
利用预制件单胞单元在每根纤维束表面生成表面单元,然后判断体素单元与表面单元的相对位置,当体素单元的形心坐标在表面单元的包络区域内时,将该体素单元纳入该集合内,其他纤维束计算方法相似,最后生成的体素模型如图7所示。
图7 采用体素法建立的复合材料单胞网格模型Fig.7 Single cell mesh model of composite materials by voxel method.(a)Enhanced phase mesh;(b)Matrix mesh;(c) Mesh after superimposed该模型采用全正方六面体网格建立,边界非常容易满足边界节点一一对应的关系。
3 周期性边界条件复合材料内部细观结构周期重复,在外载荷作用下其应力应变场同样满足周期重复性,为降低计算量,选取一个代表单元进行力学行为预测,在单胞2个对应的边界面建立周期对应的耦合约束方程[13],约束表达式如下:(i,j,k=x,y,z)(17)式中:j+表示沿正方向;j-表示沿负方向;ui为边界面上节点的i方向位移,为全场平均应变;xk为边界面上节点的k方向坐标;为沿xj方向两边界面上对应节点在k方向的坐标差。
图8 编织角和纤维体积含量对二维三轴编织复合材料横向和轴向模量的影响Fig.8 Influence of volume content and angle of weaving on transverse and axial modulus of 2-D triaxial braided composite materials. (a) Elastic modulus of transverse; (b) Elastic modulus of axial; (c) Elastic modulus of thick; (d) Shear modulus of transverse; (e) Shear modulus of axial; (f) Shear modulus of thick; (g) Poisson ratio of transverse; (h) Poissio raton of axial; (i) Poisson ratio of thick4 结果分析以文献[12]中所提供的实验数据进行对比验证,模型中所采用的材料组分力学性能参数如表1所示。