文档介绍：博士学位论文
三维编织复合材料的力学性能和
尺寸效应研究
INVESTIGATION ON THE MECHANICAL
PROPERTIES AND SIZE EFFECT OF
THREE-DIMENSIONIAL POSITES
王宝来
2009 年 9 月
国内图书分类号:TB332 学校代码:10213
国际图书分类号:531
工学博士学位论文
三维编织复合材料的力学性能和
尺寸效应研究
博士研究生:王宝来
导师:梁军教授
申请学位:工学博士
学科:工程力学
所在单位:复合材料与结构研究所
答辩日期:2009 年 9 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TB332
: 531
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
INVESTIGATION ON THE MECHANICAL
PROPERTIES AND SIZE EFFECT OF
THREE-DIMENSIONIAL POSITES
Candidate: Wang Baolai
Supervisor: Prof. Liang Jun
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Engineering Mechanics
Affiliation: Center posite Materials
Date of Defence: September 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
随着航空航天领域的迅猛发展,三维编织复合材料以其高比强、高比模和结构
可设计性等特殊性能赋予了这类材料在航空航天领域的优势地位,并随着制备工
艺、材料组分性能的不断发展,将在航空航天领域起到越来越重要的作用。由于材
料的力学性能决定着其应用前景,因而要正确的认识其力学性能,但由于三维编织
复合材料的力学性能受诸多因素的影响,如三维编织复合材料具有复杂的纤维构
造、编织工艺参数、结构参数、预成型件的挤压变形、编织纱与基体的力学性能、
切边状况、组分材料体积百分含量等诸多因素都影响编织材料的力学性能,加上编
织复合材料较单向材料相比本身力学性能离散性就较大,尤其是强度性能的离散
性。另外材料试件的几何尺寸效应、编织结构对材料应力应变关系以及强度的影响
的研究都还处于探索阶段,仍需要进行大量的理论和实验研究来揭示三维编织材料
的力学性能。因此本文针对三维编织细编穿刺碳/碳复合材料和三维四向碳/环氧编
织复合材料进行了材料试件的尺寸效应和材料力学性能离散性的实验研究,并对材
料的刚度和强度进行了数值模拟和理论预报,具体研究内容和结论如下:
开展了三维编织细编穿刺碳/碳复合材料的拉伸、压缩实验研究,测试了材料的
应力应变关系和断裂强度,分析了材料的损伤机理和破坏模式。研究表明:材料受
拉破坏时,Z 向断口呈现出平断口,试件表面的纤维断裂、纤维束被拔出,XY 向
拉伸破坏时,断口呈台阶状,Z 向纤维束在碳布的拉剪组合作用下被剪断,材料在
受压破坏时,Z 向和 XY 向的破坏模式相似,断口几乎与加载方向成 45°,属于压
剪耦合破坏,材料 Z 向的应力应变关系会随着材料试件几何尺寸变化而发生相应的
变化,在受压截面较小的情况下,部分边界上的材料容易被压脱,具有明显的边界
效应。
对三维编织细编穿刺碳/碳复合材料进行了细观几何建模,并利用有限元方法对
材料的弹性性能进行了模拟研究,得到了组分材料参数变化以及编织几何结构的改
变对整体材料宏观性能的影响。研究发现增加碳布 X、Y 向纤维束的厚度和宽度时,
X、Y 向碳布的纤维体积百分含量逐渐增加,但 X 方向的拉伸模量呈现逐渐减少的
趋势。并通过应力分析可以得到在对材料穿刺方向进行拉伸作用时能够把细编穿刺
复合材料等效为单向材料。通过分析材料在不同载荷形式下的变形图和内部应力状
态图,得到了材料在不同载荷状况下内部的应力分布情况。
对三