手机知网 App
24小时专家级知识服务
打 开
手机知网|搜索

三维整体编织C/C复合材料预制体结构仿真与弹性性能预测

张美忠

   三维整体编织C/C复合材料具有一系列优异物理特征和力学性能,如优异的高温特性、抗分层/冲击损伤能力强、垂直方向强度高、开裂不敏感和损伤扩展慢等,这些优良品质主要依靠预制体的细观结构和碳纤维/基体的力学性能和物理特性获得。但是三维整体编织C/C复合材料的CVI致密化特点导致材料的制备周期长、生产效率低、试验费用高,从而限制了它的发展和推广使用。为降低成本,缩短工艺参数优化的周期,本论文采用计算机模拟技术,从纤维束空间形态、相互交织和挤压变形等方面对不同编织参数的预制体结构及其孔隙的分布进行模拟分析,建立了适于预测三维整体编织C/C复合材料的力学模型,并对不同编织参数的三维整体编织C/C复合材料的弹性模量进行预测。主要内容包括: 分析了四步编织法的纤维束携带器运动规律、纤维束的空间走向及其截面变形,建立了主体纤维束排列方式、编织角、纤维体积百分数及填充系数间的关系。 提出了纤维束单胞模型,用椭圆形简化纤维束单胞截面,用直线描述纤维束单胞轴线在预制体内部的空间形态,用螺旋线描述其在预制体表面和边角的空间形态。在此基础上分析了主体纤维束数、填充系数、纤维体积百分数与编织角间的相互影响规律。 借助于VC++和SolidWorks软件,实现了任意主体纤维束组合、不同编织参数编织的预制体和纤维束间的孔隙实体的模拟。使复杂的预制体内部微结构、孔隙分布、形状和大小可视化;计算了纤维束间孔隙的体积、表面积。结合束间孔隙单位体积表面积与纤维体积百分数、编织角的变化曲线,分析了束内束间孔隙的形状、大小随编织参数的变化规律及其机理。 建立了保证纤维束连续性,考虑空间纤维束弯曲和截面变形的纤维束单胞力学模型。推导了三维整体编织复合材料的总刚度矩阵,建立了三维整体编织复合材料弹性性能常数的分析模型。 对不同编织参数的三维整体编织C/C复合材料进行弯曲力学性能试验,同时研究了编织参数与纤维连续性对三维整体编织C/C复合材料的弯曲力学性能的影响。试验研究表明,在一定的体积百分数下,随编织角增加,材料的弯曲模量与弯曲强度随着编织角的减小而增大。在编织角一定的条件下,其弯曲模量与弯曲强度随着体积百分数的增加而增加。而三维整体编织C/C复合材料试样切边,导致材料的纤维束不连续,使得弯曲模量增加,弯曲强度减小。 基于孔隙模拟、纤维束单胞模型和实验结果,建立了预测三维整体编织C/C复合材料的弹性性能的模型,实现了用CVI和超高压沥青浸渍碳化制备三维整体编织C/C复合材料弹性模量的快速预测。……   
[关键词]:C/C复合材料;三维整体编织;纤维束单胞;编织角;纤维体积百分数;计算机模拟;孔隙;弯曲;弹性性能;模型
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:西北工业大学2006年
App内打开