● 摘要
三维编织复合材料由于增强相具有整体成型结构，不需缝合和机械加工，相比传统层合复合材料，具有比刚度大、比强度高、耐烧蚀、可设计性强等优异性能，在航空、航天等领域得到了越来越广泛的应用。随着纺织工艺的进步，三维编织复合材料的结构形式越来越多，为了充分提高材料的纤维体积含量和整体力学性能，在三维四向（3D4D）编织复合材料的基础上，人们研制了三维五向（3D5D）、三维全五向（3DF5D）、三维六向（3D6D）和三维七向（3D7D）编织复合材料。因此，对三维多向编织复合材料的力学与热物理性能的研究，具有十分重要的现实意义。本文的主要研究工作是基于不同的纱线编织形式，通过有限元建模和数值模拟，研究三维多向编织复合材料的刚度、强度等静力学特性和振动阻尼特性，以及热传导、热膨胀等热物理性能，综合分析基体孔隙缺陷、界面性能、编织工艺参数和制备工艺（预制体初始变形）对三维多向编织复合材料的力学与热物理性能的影响，并得到一些有价值的研究成果。论文的具体工作内容如下：
（1）基于各类编织复合材料预制体内部纱线的运动规律，对3D4D、3D5D、3DF5D、3D6D和3D7D编织复合材料中内部纱线结构和截面形状进行了详细分析，并建立了相应的材料内部单胞的有限元模型。
（2）基于碰撞算法，生成了纤维具有随机分布特性的纱线单胞模型，获得了纱线材料的刚度、强度等力学性能参数。在此基础上，对纱线材料构建了一种基于Linde失效准则的新的损伤本构模型，通过施加通过周期性边界条件方程组和考虑泊松效应的单向拉伸加载条件，对3DF5D和3D6D编织复合材料纵向拉伸时的应力-应变关系和渐进损伤行为进行了有限元分析，并研究了编织工艺参数、预制体初始变形和基体孔隙缺陷对材料力学行为的影响规律。
（3）根据三维编织复合材料的细观结构，分别建立了3D4D和3D5D编织复合材料热物理性能的有限元计算模型。提出用周期性的非绝热温度边界条件和位移边界条件计算3D4D和3D5D编织复合材料的整体等效热传导系数和热膨胀系数。在此基础上，进一步研究了编织角、纤维体积含量、纱线水平偏转角等参数以及基体孔隙缺陷对材料热物理性能的影响规律。
（4）建立了含界面相的三维编织复合材料的有限元模型。采用内聚力单元对界面相进行模拟，并采用Quads准则对界面相单元的渐进损伤过程进行判断，对含界面相的3DF5D编织复合材料的损伤起始、扩展及失效机制进行了研究。此外，将界面相看成与纱线材料和基体材料独立的第三相实体材料，探讨了界面相性能对3D4D和3D5D编织复合材料整体热物理性能的影响规律。
（5）采用Prony级数模拟基体的黏弹性本构关系，对三维四步法矩形截面编织复合材料悬臂梁的振动阻尼性能进行了有限元分析，计算了不同编织结构下梁的一阶固有频率和损耗因子，研究了编织角、纤维体积含量等参数对材料振动阻尼特性的影响。