三維整體編織C-C復(fù)合材料預(yù)制體結(jié)構(gòu)仿真與彈性性能預(yù)測.pdf

1、三維整體編織C/C復(fù)合材料具有一系列優(yōu)異物理特征和力學(xué)性能，如優(yōu)異的高溫特性、抗分層/沖擊損傷能力強、垂直方向強度高、開裂不敏感和損傷擴展慢等，這些優(yōu)良品質(zhì)主要依靠預(yù)制體的細觀結(jié)構(gòu)和碳纖維/基體的力學(xué)性能和物理特性獲得。但是三維整體編織C/C復(fù)合材料的CVI致密化特點導(dǎo)致材料的制備周期長、生產(chǎn)效率低、試驗費用高，從而限制了它的發(fā)展和推廣使用。為降低成本，縮短工藝參數(shù)優(yōu)化的周期，本論文采用計算機模擬技術(shù)，從纖維束空間形態(tài)、相互交織和擠壓變

2、形等方面對不同編織參數(shù)的預(yù)制體結(jié)構(gòu)及其孔隙的分布進行模擬分析，建立了適于預(yù)測三維整體編織C/C復(fù)合材料的力學(xué)模型，并對不同編織參數(shù)的三維整體編織C/C復(fù)合材料的彈性模量進行預(yù)測。主要內(nèi)容包括： 分析了四步編織法的纖維束攜帶器運動規(guī)律、纖維束的空間走向及其截面變形，建立了主體纖維束排列方式、編織角、纖維體積百分數(shù)及填充系數(shù)間的關(guān)系。 提出了纖維束單胞模型，用橢圓形簡化纖維束單胞截面，用直線描述纖維束單胞軸線在預(yù)制體內(nèi)部的空

3、間形態(tài)，用螺旋線描述其在預(yù)制體表面和邊角的空間形態(tài)。在此基礎(chǔ)上分析了主體纖維束數(shù)、填充系數(shù)、纖維體積百分數(shù)與編織角間的相互影響規(guī)律。 借助于VC++和Solidworks軟件，實現(xiàn)了任意主體纖維束組合、不同編織參數(shù)編織的預(yù)制體和纖維束間的孔隙實體的模擬。使復(fù)雜的預(yù)制體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)、孔隙分布、形狀和大小可視化；計算了纖維束間孔隙的體積、表面積。結(jié)合束間孔隙單位體積表面積與纖維體積百分數(shù)、編織角的變化曲線，分析了束內(nèi)束間孔隙的形狀、大

4、小隨編織參數(shù)的變化規(guī)律及其機理。 建立了保證纖維束連續(xù)性，考慮空間纖維束彎曲和截面變形的纖維束單胞力學(xué)模型。推導(dǎo)了三維整體編織復(fù)合材料的總剛度矩陣，建立了三維整體編織復(fù)合材料彈性性能常數(shù)的分析模型。 對不同編織參數(shù)的三維整體編織C/C復(fù)合材料進行彎曲力學(xué)性能試驗，同時研究了編織參數(shù)與纖維連續(xù)性對三維整體編織C/C復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性能的影響。試驗研究表明，在一定的體積百分數(shù)下，隨編織角增加，材料的彎曲模量與彎曲強度隨著編