三維機(jī)織復(fù)合材料熱傳導(dǎo)及力學(xué)性能的多尺度有限元分析.pdf

1、三維機(jī)織復(fù)合材料增強(qiáng)體為三維整體結(jié)構(gòu)，纖維連續(xù)且多方向連接，這大大提高了構(gòu)件的整體性和可靠性。三維機(jī)織復(fù)合材料從根本上克服了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料易分層或開(kāi)裂的問(wèn)題，從而為復(fù)合材料應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)提供了廣闊的應(yīng)用前景。此外，三維紡織復(fù)合材料還具有高度的可設(shè)計(jì)性，可以通過(guò)改變織物結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而可以滿(mǎn)足特殊環(huán)境下對(duì)材料結(jié)構(gòu)減重和高承載性能的使用要求。同時(shí)，三維機(jī)織復(fù)合材料被認(rèn)為是高溫環(huán)境中航天器承力結(jié)構(gòu)、航天飛船的機(jī)翼

2、接頭、火箭鼻錐、航天飛行器防熱罩和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的理想候選材料。因此，鑒于應(yīng)用環(huán)境的迫切需要，對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料熱力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)及預(yù)測(cè)研究具有十分重要的意義。
　　本文針對(duì)當(dāng)前三維機(jī)織復(fù)合材料研究中存在的一些問(wèn)題，從熱力學(xué)性能及三維機(jī)織可織性等多個(gè)角度展開(kāi)研究。主要內(nèi)容包括:
　　(1)本文對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能進(jìn)行了系統(tǒng)全面的實(shí)驗(yàn)和理論預(yù)測(cè)研究。三維機(jī)織復(fù)合材料的增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)分別為2.5D角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)、經(jīng)向

3、增強(qiáng)的2.5D角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)和3D正交結(jié)構(gòu)。首先，本文基于多尺度有限元模型對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料的平面內(nèi)和平面外熱傳導(dǎo)行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)模擬。為了驗(yàn)證模型的有效性，對(duì)有限元方法得到的厚度方向?qū)嵯禂?shù)與采用閃光法測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性。此外，本文還探討了織物結(jié)構(gòu)、紗線屈曲及織造密度等因素對(duì)三維機(jī)織復(fù)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(jìn)一步對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研

4、究，探討了熱線傳感器的置入方向?qū)?dǎo)熱系數(shù)的影響，詳細(xì)分析了在線熱源給定熱載荷時(shí)三維機(jī)織復(fù)合材料的熱響應(yīng)機(jī)理。研究結(jié)果表明，瞬態(tài)熱線法對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的測(cè)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(duì)三維機(jī)織復(fù)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(cè)量方式下的熱響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。研究結(jié)

5、果表明，三維機(jī)織復(fù)合材料在不同受熱形式下具有不同的熱響應(yīng)機(jī)理。
　　(4)基于多尺度有限元模擬的方法對(duì)三維正交機(jī)織復(fù)合材料的彈性性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究。探討了細(xì)觀單胞模型的提取方式對(duì)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(shù)建立了三維正交機(jī)織復(fù)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(jī)截取對(duì)邊緣紗線截面面積的影響，從而能夠提高有限元模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。此外，通過(guò)這種快速有效的建模方式，可以實(shí)現(xiàn)材料

6、由細(xì)觀到宏觀構(gòu)件的逐尺度力學(xué)響應(yīng)特性分析。
　　(5)本文基于表面處理對(duì)高性能纖維三維可織性的影響展開(kāi)研究，并以較有代表性的碳化硅(SiC)纖維為例，對(duì)其表面進(jìn)行上漿改性。SiC纖維脆性大，在織物織造過(guò)程中極易起毛、斷裂。因此，本文通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)KD-I型SiC纖維束進(jìn)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(duì)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(qiáng)伸性、耐磨性以及柔