● 摘要
三维编织复合材料是当今最具有吸引力的新型复合材料之一，这种复合材料是利用编织技术，首先将纤维束编织成所需要的结构形状，形成预成型结构件，然后利用预成型结构件作为增强骨架进行与基体材料的复合而直接制成复合材料。三维编织复合材料克服了层合板复合材料层间强度和刚度不足的缺陷，显著地提高了材料的整体强度和刚度，也极大地提高了材料综合性能，在航空，航天等高科技领域有着广泛的应用前景。随着现代计算机技术和有限元理论的不断发展，有限元方法在复合材料细观力学研究领域得到了日益广泛的应用。从复合材料结构设计的思想出发，把编织复合材料宏观力学性能与其细观结构相联系，进而实现编织复合材料结构优化设计与复合材料工程应用一体化，这对工程实践具有重要指导意义，也具有明显的学术价值。本文对考虑纤维束间界面粘接层的三维四向编织复合材料细观结构和力学性能进行了研究。论文首先介绍了三维编织复合材料的研究背景，分别从细观结构、理论方法、有限元方法、刚度、强度以及实验等方面对编织复合材料的细观结构模型及力学性能的研究进展进行了综述；然后，论文详细讨论了三维四步（1×1）矩形编织过程，研究了纤维束运动和交织规律;考虑了纤维束间界面粘接层的影响，在已有的内部单元胞体几何模型的基础上，建立了考虑纤维束间界面粘接层的三维四向编织复合材料内部单元胞体细观实体模型；接下来在内部单元胞体细观实体模型的基础上建立了内部单元胞体有限元计算模型。通过有限元计算对三维四向编织复合材料的等效弹性性能进行了预测，并与实验结果进行了比较，从而证明了本文模型的合理有效性；通过有限元计算得到了单向拉伸位移载荷下的胞体的翘曲变形及应力分布，并进一步讨论了纵向拉伸情况下编织角对纤维束正应力的影响；最后，采用有限元方法探索了单元胞体的微观拉伸非线性损伤演化规律，这为编织复合材料的强度预报奠定了基础。