三維機織復合材料熱傳導及力學性能的多尺度有限元分析.pdf

1、三維機織復合材料增強體為三維整體結構，纖維連續(xù)且多方向連接，這大大提高了構件的整體性和可靠性。三維機織復合材料從根本上克服了傳統(tǒng)層合復合材料易分層或開裂的問題，從而為復合材料應用于主承力結構提供了廣闊的應用前景。此外，三維紡織復合材料還具有高度的可設計性，可以通過改變織物結構參數(shù)來實現(xiàn)復合材料性能的優(yōu)化設計，從而可以滿足特殊環(huán)境下對材料結構減重和高承載性能的使用要求。同時，三維機織復合材料被認為是高溫環(huán)境中航天器承力結構、航天飛船的機翼

2、接頭、火箭鼻錐、航天飛行器防熱罩和航空發(fā)動機葉片等熱防護結構的理想候選材料。因此，鑒于應用環(huán)境的迫切需要，對三維機織復合材料熱力學性能的實驗及預測研究具有十分重要的意義。
　　本文針對當前三維機織復合材料研究中存在的一些問題，從熱力學性能及三維機織可織性等多個角度展開研究。主要內(nèi)容包括:
　　(1)本文對三維機織復合材料的熱傳導性能進行了系統(tǒng)全面的實驗和理論預測研究。三維機織復合材料的增強體結構分別為2.5D角聯(lián)鎖結構、經(jīng)向

3、增強的2.5D角聯(lián)鎖結構和3D正交結構。首先，本文基于多尺度有限元模型對三維機織復合材料的平面內(nèi)和平面外熱傳導行為進行了預測模擬。為了驗證模型的有效性，對有限元方法得到的厚度方向?qū)嵯禂?shù)與采用閃光法測得的實驗結果進行了對比，發(fā)現(xiàn)預測結果和實驗結果具有很好的一致性。此外，本文還探討了織物結構、紗線屈曲及織造密度等因素對三維機織復合材料中熱通量及溫度分布的影響。
　　(2)基于瞬態(tài)熱線法進一步對三維機織復合材料的熱傳導性能進行了實驗研

4、究，探討了熱線傳感器的置入方向?qū)嵯禂?shù)的影響，詳細分析了在線熱源給定熱載荷時三維機織復合材料的熱響應機理。研究結果表明，瞬態(tài)熱線法對三維機織復合材料導熱性能的測試具有很好的適用性，能夠很好的反映材料的各向異性特征;并且在其他參數(shù)相同的情況下，材料中各組分紗線所起的作用受熱線傳感器方向的影響。
　　(3)對三維機織復合材料在加熱熱源為面熱源的閃光法和加熱熱源為線熱源的瞬態(tài)熱線法兩種測量方式下的熱響應機理進行了詳細的對比分析。研究結

5、果表明，三維機織復合材料在不同受熱形式下具有不同的熱響應機理。
　　(4)基于多尺度有限元模擬的方法對三維正交機織復合材料的彈性性能進行了預測研究。探討了細觀單胞模型的提取方式對單胞內(nèi)紗線的連續(xù)性及各組分紗線纖維體積含量的影響，然后采用嵌入單元技術建立了三維正交機織復合材料的宏觀有限元模型，該模型考慮了材料屬性疊加和隨機截取對邊緣紗線截面面積的影響，從而能夠提高有限元模型預測的準確性。此外，通過這種快速有效的建模方式，可以實現(xiàn)材料

6、由細觀到宏觀構件的逐尺度力學響應特性分析。
　　(5)本文基于表面處理對高性能纖維三維可織性的影響展開研究，并以較有代表性的碳化硅(SiC)纖維為例，對其表面進行上漿改性。SiC纖維脆性大，在織物織造過程中極易起毛、斷裂。因此，本文通過對國產(chǎn)KD-I型SiC纖維束進行的二次表面上漿處理，研究了添加不同助劑含量的水性環(huán)氧上漿劑以及上漿劑濃度對SiC纖維表面以及SiC纖維束可織性能的影響。經(jīng)二次上漿，SiC纖維束的強伸性、耐磨性以及柔