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
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。
三维编织复合材料力学性能研究进展
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
多尺度耦合理论解读
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
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。
复合材料耦合热弹性问题的多尺度方法
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
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
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。
立体管状织物的三维圆织法成型
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
圆管状三维编织复合材料多尺度耦合分析
圆管状三维编织复合材料是一种非常常见的材料类型，在各种工业领域中应用广泛。
多尺度耦合分析可以有效地研究和预测这种材料的性能，进一步提高其应用价值。
首先，我们需要将圆管状三维编织复合材料分析成多个不同的尺度。
最小的尺度是纤维水平，这是由单个纤维构成的层，通常称为微观尺度。
接下来是纤维束水平，这是由多个纤维束构成的层，称为介观尺度。
最大的尺度是复合材料整体结构水平，通常称为宏观尺度。
在微观尺度上，我们可以使用有限元方法来模拟每个单独的纤维。
这样做可以帮助我们研究单个纤维的强度、刚度和断裂行为等性能。
接着，在介观尺度上，我们可以将这些纤维束连结在一起，并模拟整个介观尺度层的行为。
在这个尺度上，我们可以研究纤维排列方式、束间距离、纤维束间的相互作用等等。
最后，在宏观尺度上，我们使用有限元方法来模拟整个圆管状三维编织复合材料的行为。
这样做可以帮助我们了解材料的总体性能，如刚度、强度和韧性等。
在多尺度耦合分析中，我们需要通过某种方法将每个尺度上的分析结果联系起来。
这通常通过反复迭代，在不同尺度之间传递信息来完成。
例如，我们可以使用微观尺度的结果来确定纤维束层的力学性能和形态，然后将这些信息传递给宏观尺度的模拟，以确定整个复合材料的力学响应。
这种迭代循环过程可以反复进行，以提高模拟结果的准确性和可靠性。
总的来说，圆管状三维编织复合材料的多尺度耦合分析可以帮助我们深入了解其微观构成和力学响应。
这些知识可以被广泛应用于工业领域，以优化设计和性能，提高生产效率和质量。
作为复合材料的一种，圆管状三维编织复合材料的相关数据包括了材料的物理性质和机械性能等指标。
我们可以从这些数据中分析出材料的特点和潜力。
首先是材料的物理性质，包括密度、导热系数和热膨胀系数等。
一般来讲，圆管状三维编织复合材料的密度较低，相对于金属材料而言，具有更好的比强度和比刚度。
导热系数方面，由于纤维和基体的不同导热性质，圆管状三维编织复合材料的导热系数通常横向较小、沿纤维方向较大。
其热膨胀系数与所选材料有关，大多数情况下，热膨胀系数是与基材的系数有关的。
接下来是机械性能指标，包括强度、刚度和韧性等。
圆管状三维编织复合材料的力学性能往往与其所使用的纤维和基体材料有关，同时还受到编制方式的影响。
在强度方面，圆管状三维编织复合材料通常具有较高的强度和硬度，而且具有较高的抗疲劳性。
在刚度方面，圆管状三维编织复合材料具有非常出色的刚度表现，比像钢铁、铝或者铜这样的传统工程材料要高得多。
在韧性方面，圆管状三维编织复合材料的韧性相对较差，但是通常通过改变所使用的纤维和基体材料可以得到更好的韧性表现。
除此之外，还有圆管状三维编织复合材料的建模和成型难度等技术参数。
成型难度一般来讲较大，需要经过特殊的处理和制造方式，成本相对较高，适用于有刚性及强度需求的产品领域。
综合这些数据和分析，我们可以得到圆管状三维编织复合材料的特点：密度较低，具有更好的比强度和比刚度，同时强度、硬度和抗疲劳性表现好。
成型难度较大，成本相对较高。
这些特点使其在各种应用领域拥有广泛的应用潜力，例如先进航空航天、汽车制造、体育器材、医学和军事领域等。
某企业生产的车用汽油机曲轴材料原来使用的是金属材料，但他们发现使用复合材料能够更好地提升汽车的性能，于是决定采用圆管状三维编织复合材料来替换原材料。
首先，与金属材料相比，圆管状三维编织复合材料的密度较低，使得汽车整车的质量较轻，从而对提升油耗效率起到了积极的作用。
同时，圆管状三维编织复合材料具有更好的比强度和比刚度，使得汽车在行驶过程中更加平稳，抗冲击和抗滑移性能也有了显著提升，对驾驶员和乘客的安全性能也有了很好的保障。
其次，圆管状三维编织复合材料具有较高的抗疲劳性能，能够延长轴承的使用寿命和维护周期，减少车主的维护费用。
同时，由于材料本身具有较好的耐腐蚀性能，所以在汽车长期使用的过程中，减少了可能需要更换的零部件数量，进一步提升了汽车的使用寿命和经济效益。
最后，虽然圆管状三维编织复合材料成型难度较大，但这也可以在一定程度上提升了整个行业的生产标准和技术水平，增强了公司的市场竞争力和产品认可度，在推广和应用过程中取得了较大的成功，也展示了复合材料在汽车制造领域的广泛应用
潜力。
通过以上的案例分析，我们可以看到圆管状三维编织复合材料的应用能够为汽车工业提供更加高效、安全、经济的生产标准和技术水平，也为汽车工业的高质量发展带来新的技术革新和机遇。
因此，未来的汽车制造业可将集中力量进一步推广和应用复合材料，积极打造复合材料在汽车工业中的特色品牌，推动更加高效、安全、经济的汽车生产模式。