2.5维编织复合材料力学性能研究

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2.5维编织复合材料是近年来备受关注的一种新型复合材料。作为三维编织复合材料的一个重要分支，2.5维编织复合材料具有优异的层间性能和良好的抗冲击性。相对于三维编织复合材料，它的横向性能得到了增强，且易于制备3D编织无法制备的含盲孔构件。2.5维编织材料本身又含有各种各样的结构，再配合不同的纤维原料、纱线尺寸、织物密度和织造张力，可以设计出满足不同力学性能要求的构件，在航空航天领域具有广阔的应用前景。本文以2.5D编织增强复合材料作为研究对象，通过对材料细观结构的显微观察，建立了2.5维弯交浅联织物单胞几何模型和有限元模型。本文基于纬纱截面为双凸透镜形、经纱截面为矩形、经纱以圆弧包络纬纱假设所提出的几何模型较为符合真实情况，能直接用于分析结构特征参数与力学性能之间的关系。在此基础上，本文利用体积刚度平均法预测了2.5D编织材料弹性性能，通过对几何模型离散并结合桥联模型预测了其强度。体积刚度平均法预测结果与实验数据吻合较好，证明了模型的正确性。强度预测考虑了纤维和基体之间的相互作用，建立了纤维、基体应力和材料所受外载之间的联系，深入探讨了2.5D编织复合材料承受经向拉伸载荷时的破坏机理，对发生断裂的纱线段进行准确定位，从而进行强度校核计算。有限元分析方面，考虑了经纬纱的相互作用，以具有不同纬纱宽厚比的参数建模，分析了单胞在承受拉伸、压缩载荷作用下的弹性性能、应力随工艺参数变化的趋势，特别考虑了编织倾角和增强纱对2.5D编织材料力学性能的影响，为工艺设计提供参考依据。另一方面，还通过有限元模型数值研究了2.5D编织复合材料的热膨胀特性，获得了经向和纬向热膨胀系数随编织工艺参数的变化规律，为材料热物理性能的改进提供参考。

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