● 摘要
摘 要三维编织复合材料是新型结构材料，由于克服了层合复合材料的一些缺陷和不足，具有比刚度大、比强度高、抗冲击、耐烧蚀等优点，所以在航空、航天等领域得到广泛应用。近些年来，国内外对这类新型复合材料的细观结构与宏观力学性能的关系进行了诸多研究，取得了丰硕成果，并逐渐成为复合材料研究领域的一个热门方向。本文从三维多向编织复合材料细观结构模型、力学性能预测和相关实验等几个方面进行了系统研究，主要工作包括：（1）对三维多（四、五、六、七）向方型编织和圆型编织复合材料的细观结构进行了研究，提出了相应的单胞模型，推导了编织工艺参数之间的数学关系。并利用刚度体积加权平均法给出了三维多向方型编织复合材料弹性性能的理论预测结果，讨论了有效弹性性能同编织工艺参数的关系。（2）基于三维多向编织复合材料细观结构模型，在假设挤压固化后编织纱线具有六边形横截面、轴纱具有正方形横截面的基础上，提出了一种新的有限元计算模型，通过设定合理的边界条件，采用有限元方法计算得到了三维多向编织复合材料的导热性能，并分析了编织角和纤维体积含量对导热性能的影响规律。（3）以单胞模型为基础，将三维多向编织复合材料中相同走向的纤维束视为单向复合材料，利用桥联模型确定了单向复合材料的柔度矩阵，再将具有不同材料主向的单向复合材料的刚度通过体积平均，得到了三维多向编织复合材料的总体刚度矩阵。然后，以单向复合材料为基础，基于等应变假设和桥联模型，确定出材料内各组分（纤维束和基体）的细观应力分布，且对纤维束采用Hoffman失效准则，对基体采用Mises失效准则，预报了三维多向编织复合材料的拉伸强度。（4）对不同编织角、纤维体积含量的三维多向编织复合材料进行了压缩和弯曲实验，获得了这些编织复合材料的主要力学性能，从宏观角度研究了材料的力学行为；实验后，对试件断口进行了宏观拍照及扫描电镜观察，从宏、细观角度探讨了材料的变形及其破坏机理。（5）采用悬臂梁自由振动衰减实验方法研究了三维多向编织复合材料的振动阻尼特性，分析了编织角、纤维体积含量和编织结构对三维多向编织复合材料振动阻尼特性的影响。根据测量得到的三维多向编织复合材料的频率和模态，确定了材料的纵向弹性模量。（6）采用分离式霍普金生压杆装置对碳/酚醛三维五向编织复合材料实施了动态载荷下的纵向和横向压缩力学性能实验，研究了材料的应变率效应，分析了不同的编织参数对材料动态压缩力学性能的影响，并且，从宏、细观角度探讨了材料的损伤变形及其破坏机理。