二維二軸編織復合材料細觀力學分析.pdf

1、二維二軸編織復合材料是從20世紀末發(fā)展起來的一類新的纖維復合材料。與傳統(tǒng)的復合材料層合板相比，由該材料制備的復合材料層合板具有較好的層間剛度、層間強度和韌性性能，因此提高了復合材料層合板的抗分層的能力。此外，該材料還兼有比強度與比模量高、抗疲勞性能好、減振性能好、材料性能的可設計性等特性。因此，在航空航天、建筑、汽車等領域中得到了廣泛應用。由于纖維編織結構的復雜性，所以前人大多采用簡化的方法描述纖維束的幾何構造，而且以往研究的問題大多局

2、限于復合材料整體的宏觀力學性能與行為，很少詳細地探討細觀層次內(nèi)的應力應變分布與損傷?？梢?，基于精細的編織結構模型開展復合材料的細觀力學分析，在此基礎上開展纖維束編織結構-復合材料力學性能-變形的相關性研究，具有重要的科學意義和工程價值。 本文采用CAD軟件UG NX4以及有限元模擬軟件ANSYS，根據(jù)復合材料力學，針對二維二軸編織復合材料的兩種常見方式-1×1編織方式和2×2編織方式，數(shù)值模擬了在不同編織角和不同受載模式下的復合

3、材料力學行為，計算了復合材料在編織方向上的等效彈性模量，分析了其影響因素及其規(guī)律。 具體而言，本文建立了纖維束的三維實體模型，描述了纖維束在復合材料內(nèi)部的布排走向以及因編織構造而引起的彎曲，采用了一種平行四邊形單胞模型（其內(nèi)部包含的每根纖維束的結構都具有最小周期性），設定了六種邊界條件，模擬了二維二軸編織復合材料在三維空間內(nèi)的應力分布，得到了以下結論： 1．當復合材料受到沿纖維束布排方向的單向拉伸載荷時，對于1×1編織復

4、合材料，在主要承載纖維束交疊面的一端出現(xiàn)較嚴重的應力集中；對于2×2編織復合材料，在交疊面的兩端以及中間部位出現(xiàn)應力集中。在該種受力條件下，編織角的改變對主承載纖維束應力分布的影響不明顯，而對次承載纖維束的應力分布影響比較顯著。 2．當模型的側面受到簡單剪切而產(chǎn)生切向變形時，在主承載纖維束的固定端產(chǎn)生應力集中。其中，當模型側面受到沿厚度方向的切向載荷而使模型產(chǎn)生彎曲變形時，隨著編織角的增大，2×2編織復合材料的內(nèi)部應力也增大，而

5、1×1編織復合材料的內(nèi)部應力變化不大。當模型側面受到沿纖維束布排方向的切向載荷時，隨著編織角的增大，不論1×1編織還是2×2編織，復合材料內(nèi)部的應力都逐漸減小。 3．當復合材料受到沿垂直編織平面方向的單向拉伸載荷時，在+θ纖維束與-θ纖維束的交疊處出現(xiàn)應力集中；對于1×1編織復合材料，交疊處交疊面的應力集中程度比背離面的更為嚴重；對于2×2編織復合材料，位于纖維束兩端的交疊部分的應力集中程度比位于中間的交疊部分的更為嚴重。編織角

6、越大，模型內(nèi)部的應力也越大；這種現(xiàn)象在1×1編織復合材料里比2×2編織復合材料里明顯得多。當復合材料上、下表面受到簡單剪切載荷時，同樣也是±θ纖維束交疊處出現(xiàn)應力集中；但隨著編織角的增大，復合材料內(nèi)部的應力變小，變形更容易。 4．分別通過有限元模擬、解析計算，得到了復合材料在編織方向上的等效彈性模量，并進行了對比。隨著編織角的增大，編織方向上的等效彈性模量呈逐漸減小的趨勢。對于相同的編織角，與1×1編織復合材料相比，2×2編織復