三維編織復合材料彈性性能數值預測及細觀應力分析

      
     基于考慮纖維束面接觸的細觀結構模型，引入周期性位移邊界條件，采用細觀有限元方法建立了材料的彈性性能預報模型。模型數值結果與試件實測數據吻合較好，證明了該模型的合理有效性。經詳細分析單胞在典型工況載荷作用下的細觀應力分布及變形，表明模型體現了周期性相鄰單胞表面力和位移的連續性，能獲得單胞更為合理的細觀應力應變場。

     三維編織復合材料作為一種新型輕質高效結構材料，其剛度、強度等基本力學性能分析與預報是該材料用于結構設計的重要前提。但由于材料增強體為三維空間網狀連續纖維結構，其細觀結構極為復雜，直接建立材料力學性能預報模型困難很大。近年來，許多學者通常基于周期性單胞研究材料的基本力學行為。

      隨著現代計算機技術和有限元理論的飛速發展，有限元方法在復合材料細觀力學研究領域得到了日益廣泛的應用，并已將其用于三維編織復合材料的力學建模分析，逐步建立了一批基于代表單胞的有限元分析模型。Lei等‘21將纖維束和基體分別處理為梁元和桿元，所建模型因過分簡化難以反映組分材料的受力狀態：Chen等和龐寶君等所建有限元剛度預報模型，因采用多相介質單元降低了建模工作量：劉振國等提出了“米”字型實體單胞有限元模型，但該模型過于簡單，無法體現內部纖維束的交織關系和空間構型：Sun等基于均勻化理論，采用非協調多變量有限元對比了對模量預
測的影響；楊振宇等[盯1所建體胞模型將纖維束截面假設為六邊形，較好地體現了內部纖維束的接觸特征，但建立該體胞幾何模型時，忽略了表面區域細觀結構的影響，因而很難全面建立工藝參數與材料宏細觀結構參數的關系。目前，基于周期性胞元的有限元模型，其單胞細觀結構模型與材料實際細觀結構有所差異，還有待于進一步完善。文獻采用單胞表面變形后“平面保持平面假設”，限制了周期性單胞的相應變形，難以保證周期性相鄰單胞邊界處力的連續性，這將直接影響單胞的細觀應力應變分布和力學性能分析。因此，有必要建立更為合理的細觀單胞有限元模型。

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