题目：三维圆型编织复合材料几何建模与力学性能研究

 

三维编织复合材料以其卓越的力学性能，成为当今材料界和力学界关注的焦点，被广泛应用于以航空航天等高新科技为代表的工程领域。然而，由于三维编织复合材料的力学性能受到诸多因素影响，并且材料费用高，加工制造工艺复杂，国内外对其研究工作并不充分，尤其是对三维圆型编织复合材料，无论是对预成型件成型和固化还是后续的力学性能预报和实验，研究工作都是刚刚起步。为了充分发挥编织复合材料可设计性强这一优点，深入研究材料的几何尺寸、工艺参数以及力学性能之间的关系成为目前亟待解决的问题。

    本文根据三维圆型复合材料的编织工艺，结合矩形复合材料的纱线运动规律特点和切片观察实验得到的复合材料纤维束的截面形状，推导出了三维圆型编织复合材料的空间运动轨迹，由此建立了内部单元胞体的三维实体模型。然后，详细推导了三维四向、五向、全五向编织复合材料的内部及表面胞体的几何关系。采用修正后的弹性张量平均法，获得了三维圆型编织复合材料的弹性性能参数计算公式。根据几何尺寸与映射关系，将内部每个扇形单胞修正为矩形截面胞体用于有限元计算，建立了带有界面层的矩形截面胞体实体有限元模型，计算得到了三维圆型编织材料的等效弹性性能常数。随后，对三维四向矩形截面胞体的工艺参数与力学性能关系进行进一步的研究。在上述研究基础上建立了可用于三维全五向圆型编织复合材料分析的矩形截面内部单胞，通过计算沿径向一组内部单胞弹性模量得到了宏观结构件的弹性模量。最后针对三维四向、五向、全五向圆型编织复合材料进行了轴向拉伸与压缩实验，观察其破坏现象，测得了相应的拉伸、压缩弹性模量，并与采用有限元方法所得结果进行对比分析，验证了模型的准确性。