● 摘要
复合材料的优良性能使其广泛应用于各领域。本论文主要研究纤维复合材料的热性能。双周期微结构是纤维复合材料的重要形式。另外，材料热导率是反映材料热性能的重要指标。因此，预测双周期结构纤维复合材料的有效热导率具有重要的研究意义。 本文利用周期微结构材料的稳态热传导问题中温度场的准周期性质和热流密度场的周期性质，将这一周期性条件施加到双周期结构复合材料的代表性体积单元(RVE)上，很好地解决了一般有限元方法的均匀边界条件引起的过度约束问题。求得的单胞热导率可表示复合材料的整体有效热导率，具有很高的精度。本文单胞有限元法相应的自动化建模计算程序还具有高效率、适用范围广的优点，可适用于最一般的周期微结构及其最一般的单位胞元。 复合材料的有效热导率与夹杂和基体各自的热导率、夹杂体积分数、夹杂排列方式等因素有关。对于具有完整界面的纤维增强复合材料，本文研究了不同因素对复合材料横向有效热导率的影响规律。对复合材料的设计研究有一定的指导意义。与已有的理论公式和实验结果比较，证明了本文的计算精度和有效性。 复合材料界面效应对其整体热性能有很大的影响。对于具有热阻界面或涂层界面的纤维增强复合材料，本文建立了考虑界面热阻和纤维涂层的单胞模型，修正了对应的导热边界条件，研究了涂层热导率、涂层厚度等对复合材料有效热导率的影响规律。这对于复合材料有效性能的研究更具有实际意义。 本文的方法考虑了最一般的双周期边界条件，因此能够分析一般非对称排列的双周期导热问题，但可计算的夹杂体积分数有限。对于这种情况，本文单独建立了正六边形单胞模型，将原来等效单胞模型可计算的夹杂体积分数提高到0.9，扩大了本文单胞有限元法的适用范围。从双周期排列的位移角度建立了错动结构的矩形单胞，同样具有很高的精度，并分析了非对称排列时的复合材料有效热导率的各向异性规律。此外，分析了三种夹杂形状对复合材料有效热导率的影响变化规律。