三维机织复合材料的多尺度力学性能研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要本文采用多尺度有限元方法研究了三维机织复合材料的弹性性能和裂纹扩展方式，论文主要分三部分：第一，建立了三维机织复合材料的微、细观单胞模型，讨论了其满足的周期性边界条件及由细观编织参数计算细、微观结构参数的方法。微观单胞模拟了纱线束中纤维和基体两相材料的非均匀性，细观单胞模拟了三维机织复合材料的周期性编织结构，对于微、细观单胞，研究了周期性边界条件及其在商用软件上的实现方法——主、从节点法，并能以平均应变或平均应力的方式对单胞施加多轴载荷。三维机织复合材料表面和内部区域

2、的细观编织结构有所差异，并且表面部分沿厚度方向不再有周期性，因此本文着重研究了表面细观单胞合理的边界条件。第二，研究了三维机织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析模型。给出了三维机织复合材料平均弹性常数的逐级分析方法，并研究了由宏观结构、到细观纤维束、再到微观纤维三个尺度耦合的应力分析方案。以一种三维机织复合材料为例，用上述多尺度耦合的模型逐级计算了材料的平均弹性常数，分析了表面单胞和内部单胞以及全厚单胞间的差异；并沿相反方向，由宏观结构分析逐级计算出纤维束尺度和纤维尺度的细、微观应力的局部波动。第三

3、，建立了一种三维机织复合材料细观裂纹扩展的有限元分析模型。构造了含有粘聚力界面单元的局部子划分有限元模型和反映了损伤方向性的等效裂纹模型。对裂尖所在的单元进行局部细化分析，对于包含裂纹的单元，其单元刚度矩阵根据裂纹的位置和方向进行刚度折减。用此模型对一种三维机织复合材料，在经、纬向单向拉伸载荷作用下，对裂纹在经、纬纱和基体中的扩展路径进行了数值模拟。关键词：三维机织复合材料，周期性单胞，多尺度分析，裂纹扩展，局部细化分析本文的研究工作得到了国家自然科学基金项目（10772078）（10472045）

4、、航空科学基金资助项目（05B52010）的资助。i三维机织复合材料的多尺度力学性能研究AbstractMultiscalefiniteelementmethod(FEM)wasemployedtoinvestigateelasticpropertiesandcrackpropagationmodeof3Dwovencomposites(3D-WCs)inthisthesis.Thethesishasthreeparts:First,microandmesorepeatedunitcell(RUCs

5、)weresuggested,theperiodicboundaryconditionsandmeso/microstructureparameterscomputationviamesowaveparameterswerediscussed.Micro-RUCrepresentingtheheterogeneityofmatrixandfiberinyarnandmeso-RUCdescribingperiodicweavearchitectureof3D-WCs.Forbothmicro-and

6、meso-RUCs,periodicboundaryconditionsandtheirimplementationsincommercialFEMpackagearesuggestedbywhichmulti-axialloadseitherintermsofaveragestressesoraveragestrainscanbeeasilyappliedthroughmaster-slavenodetechnology.Periodicityisnolongerpreservedinthethi

7、cknessdirectionsurface-RUCforthedifferencebetweensurface-RUCandinner-RUC,soreasonableperiodicboundaryconditionofsurface-RUCwasstudiedspecially.Second,Multi-scalecouplednumericalapproachesfor3D-WCsandstructureswerepursued.Thewayofaverageelasticconstants

8、predictionof3D-WCsviamulti-scaleRUCswaspresented.Then,strategyofstressanalysisspanningscalesofmacrostructure,meso-andmicroRUCswasintroduced.Thismulti-scalemodelwasappliedtoafictitioussquarepanelmadeof3Dwovencomposite.Averageelasticconst