四步法三维编织复合材料力学性能的有限元分析
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。
复合材料用有限元分析
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。
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
三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析_杨振宇
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。
三维五向编织复合材料强度的有限元分析
Ｔ ｎ 建 立 了整体 试 件 的有 限元 模 型 并 考 虑 了材 料 ａｇ ］ Ｅ 的非 线 性特 征 ： 宝君 ｌ 采 用 多 相 有 限 元 法 ， 立 了 庞 ８ ］ 建 该类 材 料 的 损 伤非 线 性模 型 ； 子 兴 【 基 于一 种 经 卢 ９ Ｊ 验性 强 度失 效准 则 ． 测 了三维 四 向编织 复合 材料 的 预
Ｉｓｔ ｅｏ ｅｔｅＣ ｍ ｏｉ ， ｉｎｉ Ｐ ｌ ｅｈ ｉ Ｕ ｉｅ ｉ ， ｉ ｊ ３０ ６ ） ｎｔｕ ｆ ｘ ｌ ｏ ｐ ｓｅ Ｔａｊ ｏｙ ｃｎｃ ｎｖｒ ｔ Ｔａ ｉ ｉｔ Ｔ ｉ ｔ ｎ ｔ ｓｙ ｎ ｎ ０ １０
（ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｅ ｈ ｎｃ ｌ ｎ ｌ ｔ ｎ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｔ ａ ｊ ｏ ｔ ｈ ｉ Ｕ ｉｅ ｉ ， ｉ ｊ ２ ｃ ｏ ｌ ｆ ｃ ａ ｉ ｄＥ ｅ ｒ ｉ Ｅ ｇ ｅ ｎ ， ｉ ｉ Ｐ ｌ ｅ ｎ ｎｖｒ ｔ Ｔａ ｉ Ｍ ａａ ｃｏ ｃ ｎ ｉ ｎｎ ｙ ｃ ｃ ｓ ｙ ｎｎ ３０ ６ ） ０ １０
三 维 五 向编织 复合 材 料 强 度 的有 限元 分 析
李金 超 陈 利 邢静 忠
３０６ ） ０ １０
３ ０６ ） ０ １０
（ 天津工业大学复合材料研究所 ， １ 天津市和教育部共建先进 纺织复合材料重 点实验室 ， 津 天
（ 天 津 工业 大 学 机 械 电 子 学 院 ， ２ 天津
的正 应 力破坏 ． 已有 文献 的观 测 结果 一 致。 与 关键 词 三维五 向 ， 编织 复合材料 ， 限元分 析 ， 有 强度
Ｆ ｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔＡｎ ｌｓｓ ｆ ｒ Ｓ ｒ ｎ ｔ ｆＴ ｒ ｅ Ｄｉ ｎ ｉ ｎ ｌ ｉ ｉｅ Ｅ ｅ ｎ ａ ｙ ｉ ｏ ｔｅ ｇ ｈ ｏ ｈ ｅ — ｍｅ ｓｏ ａ Ｆ ｖ — ｒ ｃｉ ｎ ｌＢｒ ｉ ｅ ｍｐ ｓｔ ｓ ｉｅ Ｄｉｅ ｔ ａ ａ ｄ ｄ Ｃｏ ｏ ｉ ｏ ｅ
编织结构复合材料力学性能的测试与分析
模型”利用修正 的层合理论 ， ， 假定 同一层胞体 中平 行于 同一对角线方向的纤维束集合形成一倾斜的单 向层 板 ， 而将 单元 胞 体 简 化 为 ４块 倾 斜 的 单 向层 进
固化 剂为 ７ 酸 酐 三 者 的用 量配 比 为 ：０ １０： ０ １０：０
“ 纤维互锁胞体模型”在平行六面体的单元胞体 内， ，
将 沿 四个 对角 线方 向排 列 的纤 维 束 当作 “ 合材 料 复
１ 。固化剂选 用 ７ 酸酐 ， 名为四氢化邻苯二 甲 ０＃ 学 酸酐 （ Ａ）其分 子量 为 １６， Ｐ ， ４ 固化 温 度 １０—１０ｃ ５ ８ ｏ，
固化 时 间约 ４～２ ｈ 采 用 的催 化 剂 为 苯胺 ； 实 验 ４； 本
杆” 来处理， 利用应变能原理得到简化的三维复合材
料 杆 系结 构力学 模 型 。Ｙ ｎ ・ 立 了“ 维倾 斜 ａｇ等 建 纤
的预型件采用四步法三维 四向 １ 编织结构 ， ×１ 采用 Ｒ Ｍ（ Ｔ 树脂传递模塑） 工艺成型。Ｒ Ｍ的工艺参数 Ｔ 为 ： 真空 达 到 ０ １ ａ树脂 注入 模具 的压力 为 ０ 抽 ．ＭＰ ； ． ４ ａ Ｍｐ ；固 化 周 期 ：１０ｃ ２— ｌ０ｃ ｌ一 １０ｃ ３ ｏ／ ｈ ５ ｏ／ ｈ ６ ｏ／
材料 力 学性能 受 多 种 因 素 的影 响 ， 方 面 的的 实验 这
研究仍然不是很充分 ， 还需进行 大量 的试验来 研究 它 们 的变形 和破 坏 规 律 ， 深 入 描述 编织 复 合 材料 为 的力学行为奠定实验数据基础 。本工作对 四步法三 维 编织 复合 材料 进 行 了拉 伸 、 缩 和 弯 曲等 实 验研 压 究 ， 得 了该 材 料 的主要力 学性 能 参数及 破坏 规律 ， 获 得到了一些重要结论 。这些结果为进一步研究复合
三维编织复合材料圆管轴向力学性能试验研究
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]。
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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。