【摘要】：三維編織復(fù)合材料是基于二維編織技術(shù)發(fā)展起來的一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的高新材料,具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐燒蝕性、整體性、可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。在航空、航天、國防、生物醫(yī)療和體育用品等工業(yè)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域倍受關(guān)注。近30年來,隨著纖維編織技術(shù)的日益成熟及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已從過去的次承力結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展成為主承力結(jié)構(gòu),在各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮越來越大的作用。三維編織復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究已經(jīng)成為編織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。然而,由于三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,從材料的細(xì)觀機(jī)制出發(fā),研究三維編織復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為、損傷演化規(guī)律,還有很多工作要做。本文將從三維編織復(fù)合材料細(xì)觀構(gòu)型出發(fā),采用細(xì)觀和宏觀尺度相結(jié)合的方法,針對三維四向編織復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度、粘彈性性能、熱傳導(dǎo)性能和熱機(jī)械行為四方面進(jìn)行數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。由于三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,對編織復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析時(shí),傳統(tǒng)的有限元離散將產(chǎn)生大量的節(jié)點(diǎn)自由度,從而導(dǎo)致過量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存需求。本文提出一種能夠快速、高效預(yù)報(bào)編織復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的多尺度數(shù)值計(jì)算方法,建立三維四向編織復(fù)合材料的宏細(xì)觀多尺度有限元模型,在此基礎(chǔ)上對三維編織復(fù)合材料的剛度及三點(diǎn)彎曲工況下結(jié)構(gòu)的宏細(xì)觀應(yīng)力場分布及結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度進(jìn)行研究。此外,研究編織幾何參數(shù)對材料有效彈性常數(shù)及結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度的影響,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對該多尺度方法的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行有效驗(yàn)證。該方法可推廣到三維多向編織復(fù)合材料,甚至許多周期性復(fù)合材料力學(xué)性能的研究中,為復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。基于多尺度理論,推導(dǎo)了預(yù)報(bào)三維四向編織復(fù)合材料粘彈性性能的有限元方程,建立了宏觀結(jié)構(gòu)模型、細(xì)觀單胞模型及微觀纖維束模型,在Laplace域內(nèi)計(jì)算不同尺度下三維四向編織復(fù)合材料的等效松弛模量。通過最小二乘法數(shù)值擬合預(yù)報(bào)三維四向編織復(fù)合材料等效松弛模量在時(shí)間域內(nèi)的值,并討論編織角度、松弛時(shí)間對材料粘彈性性能的影響。同時(shí),結(jié)合一定的松弛邊界條件對宏觀、細(xì)觀和微觀尺度下應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。本文基于多尺度數(shù)值計(jì)算方法,建立了三維四向編織復(fù)合材料的宏細(xì)觀多尺度熱傳導(dǎo)行為數(shù)值預(yù)報(bào)模型,計(jì)算了三維四向編織復(fù)合材料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù),討論了編織結(jié)構(gòu)參數(shù)對三維四向編織復(fù)合材料熱傳導(dǎo)性能的影響。通過施加兩類不同的邊界條件(絕熱邊界和非絕熱邊界),進(jìn)一步研究三維編織復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)行為,給出不同邊界條件下三維編織復(fù)合材料宏細(xì)觀溫度場、熱流場分布,分析三維編織復(fù)合材料宏細(xì)觀熱傳導(dǎo)機(jī)理。本文還基于多尺度方法建立了三維編織復(fù)合材料熱力耦合分析模型。在熱彈性理論基礎(chǔ)上,研究了熱力耦合條件下三維四向編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的宏細(xì)觀應(yīng)力分布規(guī)律,討論編織角、初始溫度增量對三維編織復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在熱粘彈性理論基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了含初始溫度增量的三維編織復(fù)合材料熱粘彈性的多尺度計(jì)算公式,通過建立三維編織復(fù)合材料熱粘彈性本構(gòu)關(guān)系,預(yù)報(bào)三維編織復(fù)合材料等效熱應(yīng)力松弛系數(shù)、等效時(shí)變熱膨脹系數(shù),并討論編織角、松弛時(shí)間的影響,研究三維四向編織復(fù)合材料在熱力耦合條件下結(jié)構(gòu)宏觀、細(xì)觀和微觀熱應(yīng)力松弛規(guī)律。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33
【圖文】：

⒚癖?III 號、衛(wèi)兵、SICBM、SPI 等戰(zhàn)略導(dǎo)彈的鼻錐(如圖1-1(b))，日本的 Hope、前蘇聯(lián)的暴風(fēng)雪、歐洲的 Hermes、美國的 Shuttle、NASP、英國的 HOTOL 等航天飛機(jī)的頭錐和翼緣，美國 MX 導(dǎo)彈(如圖 1-1(c))發(fā)動機(jī)的噴管延伸錐以及俄羅斯?jié)摰貙?dǎo)彈的發(fā)動機(jī)可延伸出口錐等均使用了三維編織復(fù)合材料。國內(nèi)天津工業(yè)大學(xué)研制的“三維編織復(fù)合材料衛(wèi)星空間桁架結(jié)構(gòu)連接件”已在我國發(fā)射的第一顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號”(如圖 1-1(d))得到了很好的運(yùn)用。美國波音和洛克希勒公司將編織技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身部件的制造上，用三維編織復(fù)合材料制造了飛機(jī)加筋蒙皮、螺旋槳葉片、整流罩、機(jī)身框、艙窗間壁板、機(jī)身龍骨框等結(jié)構(gòu)件。美國比奇公司的“星舟”(Starship) l 號公務(wù)機(jī)，其機(jī)身關(guān)鍵部位也同樣采用了編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。美國的 Brunswick 公司還用編織復(fù)合材料制作了大量的導(dǎo)彈彈翼、發(fā)射筒等軍事用品。

圖 1-2 三維編織復(fù)合材料未來應(yīng)用領(lǐng)域 (a) C919 飛機(jī)，(b) 航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片c) 直升機(jī)構(gòu)件，(d) 直升機(jī)，(e) JASSM 巡航導(dǎo)彈，(f) 編織中的 JASSM 巡航導(dǎo)彈筒Fig. 1-2 Future application field of 3D Braided Composites (a) C919 Plane, (b) Fan blaf aero-engine, (c) Helicopter component, (d) Helicopter, (e) JASSM cruise missile, (f) JASScruise missile barrel under weaving鑒于三維編織復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，已去的次承力結(jié)構(gòu)發(fā)展成為主承力結(jié)構(gòu)，在各類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮越來越大用。編織復(fù)合材料強(qiáng)度問題已經(jīng)成為編織復(fù)合材料設(shè)計(jì)和使用的關(guān)鍵，而現(xiàn)有的關(guān)于編織復(fù)合材料破壞機(jī)理和強(qiáng)度的研究多數(shù)依靠實(shí)驗(yàn)手段論研究主要采用細(xì)觀力學(xué)方法對單胞強(qiáng)度進(jìn)行研究，而關(guān)于編織復(fù)合材體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的理論模型和計(jì)算方法研究很少，還很難預(yù)報(bào)編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和控制結(jié)構(gòu)的失效。由于編織復(fù)合材觀結(jié)構(gòu)的非均勻性和復(fù)雜性，其強(qiáng)度不僅與制備工藝和組分性能有關(guān)，編織工藝和編織參數(shù)有很大的關(guān)系。因此，在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，不僅需慮組分材料的性能、纖維的體積分?jǐn)?shù)、結(jié)構(gòu)的成型工藝、幾何特征、纖維體界面性能、編織角等因素，還需要考慮纖維束的截面形狀、空間取向

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2732375