基于均勻化理論非編織碳-碳復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)值研究.pdf

1、C/C復(fù)合材料作為理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，其優(yōu)異的高溫性能和力學(xué)性能越來越受到重視，并在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。C/C復(fù)合材料的性能與纖維的類型、增強(qiáng)方向、編織方式以及基體碳的微觀結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。由于碳/碳復(fù)合材料制造周期長(zhǎng)、成本高、工藝復(fù)雜，因而通過實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定它們的力學(xué)性能去進(jìn)行方案的選優(yōu)是不現(xiàn)實(shí)的。最合理的方法是對(duì)各種不同織物結(jié)構(gòu)的C/C復(fù)合材料先進(jìn)行理論預(yù)報(bào)，在理論上定性選定織物結(jié)構(gòu)后，再投資進(jìn)行材料的工藝優(yōu)化研究，以節(jié)

2、省投資和縮短研制周期，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料一設(shè)計(jì)一工藝一評(píng)價(jià)一體化。本文運(yùn)用近年來倍受關(guān)注的均勻化理論，結(jié)合有限元法，對(duì)非編織C/C復(fù)合材料的宏觀等效性能進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)，對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，得到了一些對(duì)該材料優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義的結(jié)果。 首先，本文以漸進(jìn)展開均勻化理論為基礎(chǔ)，將均勻化理論與有限元相結(jié)合，建立了用來預(yù)測(cè)非編織C/C復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的均勻化有限元方程，實(shí)現(xiàn)了宏細(xì)觀的有效結(jié)合。 其次，針對(duì)CVI

3、工藝制備的單向增強(qiáng)及非編織C/C復(fù)合材料，運(yùn)用均勻化方法和有限元相結(jié)合的方法對(duì)其等效彈性參數(shù)進(jìn)行了預(yù)報(bào)與分析。論文首先分別建立了單向增強(qiáng)及非編織C/C復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，針對(duì)單胞的周期性邊界條件，在前人的基礎(chǔ)上通過等效處理使其在胞元一級(jí)得到了滿足，建立了等效周期性邊界條件，即所謂的固定邊界條件。然后，分別對(duì)上述兩類材料的等效彈性參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了均勻化有限元法的有效性。接著考察了兩種細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型下相

4、材料參數(shù)的選取對(duì)1D C/C復(fù)合材料等效性能參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著碳纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，該材料的等效彈性模量單調(diào)增加，而泊松比則有所下降。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了二次均勻化計(jì)算，分析了纖維體積分?jǐn)?shù)、纖維取向角及基體性能等參數(shù)對(duì)平紋及斜紋碳布疊層細(xì)編穿刺C/C復(fù)合材料等效性能參數(shù)的影響，探討了它們之間的相互制約和耦合作用的影響，提出了應(yīng)合理選取各細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，一定程度上為實(shí)現(xiàn)該材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。此外，分析了單胞模型存在缺陷時(shí)對(duì)該材料性能的影