三维编织复合材料多尺度数值模拟及界面破坏准则分析

论文摘要

本论文针对三维编织复合材料主要研究了两方面内容：一是数值分析圆管的多尺度耦合，二是研究界面破坏准则。首先建立了圆管状结构两种单胞模型，即微观单胞模型和细观扇形单胞模型，由编织参数确定两种模型的结构参数。，建立了扇形周期性单胞的有限元模型。研究了如何实现周期性边界条件，确定了统一周期性边界条件，着重探讨了周期性边界条件的加法。在周期性边界条件下，用主节点上的约束力和位移求出平均应力、应变。在建立单胞模型的基础上，本文对圆管的多尺度耦合进行了数值分析。详细介绍和分析了“宏观→细观→微观”、“微观→细观→宏观”两个过程。先后通过对微、细观单胞的分析，得到了纤维束的平均弹性常数和编织复合材料的平均弹性常数。建立了正反两个方向的微观纤维应力的传递。选取一种有代表性的圆管结构进行平均材料参数和应力分析，结果表明：本文的分析方法，既可以推算出材料刚度参数，又能用来分析损伤和强度。最后围绕着三维编织复合材料的缺陷、纤维基体应力场、不同缺陷条件下裂纹尖端和界面端的奇异应力场展开的。首先，我们借用相关的断裂理论，总结出了三维编织复合材料断裂的准则；其次，我们建立了两种不同缺陷数值模型，对两种不一样的缺陷情况进行了数值模拟，计算出相应的纤维基体结合点的应力强度因子，以及裂纹尖端的应力强度因子；最后，在前面分析的基础上，评价材料的断裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1. 三维编织复合材料细观结构和数学模型的分析
• 1.2.2 对三维编织复合材料力学性能数值仿真的探索
• 1.2.3. 三维编织复合材料界面力学的研究
• 1.3 目前存在的问题
• 1.4 研究内容
• 第2章 圆管状三维编织复合材料单胞模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 多尺度单胞模型
• 2.2.1 微观单胞模型
• 2.2.2 细观单胞模型
• 2.2.3 细观单胞模型参数确定
• 2.3 微细观单胞边界条件施加
• 2.3.1 统一周期性边界条件
• 2.3.2 圆管微、细观单胞边界条件确定
• 2.3.3 平均应力、应变计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 圆管状三维编织复合材料多尺度耦合分析
• 3.1 引言
• 3.2 细微观单胞平均弹性常数计算
• 3.2.1 碳纤维束平均弹性常数
• 3.2.2 扇形细观单胞平均弹性常数
• 3.3 结构分析→细微观应力分析
• 3.4 算例分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 三维编织复合材料界面破坏准则研究
• 4.1 引言
• 4.2 界面端奇异应力场
• 4.2.1 界面力学结构模型
• 4.2.2 轴对称界面端应力奇异性
• 4.3 纤维缺陷界面奇异应力场
• 4.3.1 类似纤维拔出模型
• 4.3.2 圆柱界面轴对称裂纹
• 4.4 界面处裂纹的断裂准则
• 4.4.1 应力强度因子
• 4.4.2 数值计算方法
• 4.4.2.1 应力法
• 4.4.2.2 位移法
• 4.4.3 裂尖附近的应力模态
• 4.4.4 断裂准则
• 4.4.4.1 界面裂纹破坏准则
• 4.4.4.2 界面端破坏准则
• 4.5 含缺陷三维编织复合材料有限元模拟
• 4.5.1 纤维缺失模型
• 4.5.2 纤维基体界面微裂纹模型不难发现
• 4.6 小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间主要科研成果