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1、第29卷第2期力学进展Vol.29No.21999年5月25日ADVANCESINMECHANICSMay25,1999多向编织复合材料的力学性能研究梁军陈晓峰庞宝君杜善义哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨150001摘要综述并评价了关于二维和三维编织复合材料的有效弹性模量研究的代表性工作,并从材料设计的思想出发,宏观与微观相结合,材料科学与力学相结合,对多向编织复合材料的宏观力学性能与细观织物结构、组分性能的关系及编织复合材料非线性行为进行了详细的理论分析和研究.关键词编织复合材料,力学性能,材料设计,细观力学1引言编织复合材料由于其具有一
2、系列无法替代的优点,被称作第三代纤维增强复合材料,广泛地应用于航空航天等高科技领域.它主要指一类由高级纤维的二维或三维编织物增强的结构复合材料,与单向增强的复合材料层板相比,编织复合材料层板在改进层间层内强度、损伤容限和热应力失配等方面具有巨大的潜力,这是由于编织复合材料的细观可设计性,为宏观力学性能优化提供了较为广阔的余地.材料的细观力学和细观设计理论几乎与复合材料本身同步发展,并且在材料细观结构与宏观性能之间关系的这一关键问题上进行了长期的探索,特别是近20年来,取得了许多研究成果,并逐渐形成了细观力学这一学科分支,人们力图依照细观力
3、学的原理来设计和优化复合材[1]料,推动新型复合材料的研制和发展.对于编织复合材料来说,力学性能预报与材料优化设计同样是其研制开发的重要环节,是实现编织复合材料结构优化的保证.多向编织复合材料的发展决定于编织复合材料工艺技术,包括预制件的编织技术和基体的浸渍复合技术等的发展,从目前的技术水平来看,编织复合材料研制成本高、研制周期长,是其进一步发展的主要障碍.因此,在材料研制和结构设计初期充分地进行材料性能预报与材料优化设计是非常必要的,并将成为国内外学术界研究的热点.2平面编织复合材料的线性与非线性分析平面编织复合材料的增强相是二向(2D
4、)织物,其特性以相邻纤维束的间距、纤维束尺寸、每个方向上纤维束的百分含量、纤维束的填充效率和交织线型的复杂程度来表征,虽然编织物的几何形状可作多种改进,但织物结构的内在强度取决于二维平面织物层间的粘结强度.编织收稿日期:1998-01-14,修回日期:1998-05-14·197·结构复合材料的宏观性能主要取决于纤维的编织构造,纤维束与基体材料的类型,纤维束与基体之间界面的损伤等因素.根据复合材料的构成方式和组分材料的性质,用细观力学的分析方法从理论上估算它的性[2]能,是复合材料研究与开发的一个重要手段.对于平面织物复合材料,由于在织物
5、中纤维束纵横交错形成波纹状,引起复合材料在织物面内和面外的耦合变形,从而对复合材料的宏观性能产[3～8]生了重要的影响.T.Ishikawa及T.W.Chou等人曾发表过一系列论文研究非混杂织物复合材料的弹性性质分析,他们考虑一个镶嵌模型,采用均匀应力和均匀应变的假定,导出织物复合材料弹性模量的上、下限解.把经典的层合板理论与一维波纹模型结合起来,求平均刚度系数.[9]最近,Lee等人提出了一个欧拉伯努利梁模型,来估算带波纹的分段各向同性复合材料的等效[10～12]弹性模量.张元冲和J.Harding等人利用应变能等效的原理,通过有限元计
6、算,结合平面织物复合材料的单向波纹模型,分析了该类材料的弹性性质.并且在此基础上,根据经典层合板理论,对平面织物复合材料单向波纹模型的上下表面施加不同的约束条件,得出层板弹性常数的变化范围,用有限元能量方法预测出不同铺层数的编织复合材料层板的弹性性能.N.F.Dow等[13][14]人对织物增强复合材料进行了理论分析及有限元计算.J.H.Byun及T.W.Chou对平面织物及三维织物复合材料的分析模型做了一个全面的综述.211镶嵌模型(MosaicModel)和上下限解实际平面织物横断面的纤维束分布如图1(a)所示,参与编织的纤维束的几何
7、分布非常清晰,经过浸渍基体材料、加压成形后成为波纹状,如图1(b)所示,如果忽略波纹状纤维束的连续性,可以将其理想化成镶嵌模型如图1(c)所示.如此模型化后,可以将织布增强复合材料看作是二层正交层合板的集合体所组成.图1(d)是缎数为8的缎纹平面增强复合材料的模型示意图.图1镶嵌模型该研究模型建立在基于克希霍夫假定基础上的层合板理论.略去温度项的本构方程可以写为0NiAijBijεj=(i,j=1,2,6)(1)MiBijDijκj也可以将上式表示为033εjaijbijNi=(i,j=1,2,6)(2)κ33Mjbijdiji0取其厚度
8、的基准面为几何学的中面,εi为该面的应变,κi为曲率,Ni为膜应力,Mi为弯矩.333[A],[B]及[D]分别为面内刚度矩阵、耦合刚度矩阵及弯曲刚度矩阵.[a],[b]及[d]分别为面内柔度
