题目：三维编织复合材料力学与热物理性能研究

三维（3D）编织复合材料是近二十多年发展起来的一种新型复合材料，与传统复合材料相比，具有耐冲击、耐烧蚀和性能可设计等优异特性，在航空、航天领域应用广泛。在实际工程应用中，3D编织复合材料的破坏是一个随机的、复杂的过程。3D编织复合材料在宏观上被看作是一种正交各向异性材料，在细观上具有周期性和非均匀性等特点。由于在材料内部，纱线和纱线交织在一起，进而纱线的截面几何形状变得不规则，且有一定的随机性，所以，在材料内部的应变场变得非常复杂。为了能够正确地认识3D编织复合材料的力学性能，就需要对其细观结构进行深入的研究。正是因为3D编织复合材料内部复杂的结构，使得其破坏模式复杂多样，除了内部纱线和基体的损伤外，还有纱线和基体之间界面的损伤，而在不同的载荷条件下，表现出来的损伤模式也是不同的。本论文在已有实验的基础上，从细观角度出发，根据3D编织复合材料在细观结构上的周期性特点，建立了具有代表性的体积单胞，对3D编织复合材料的宏观有效力学性能和热物理性能进行了有限元分析。

本论文较详细地综述和分析了国内外对3D编织复合材料性能的研究现状，分别对编织复合材料的几何结构、热物理性能和力学性能展开分析，给出了研究3D编织复合材料力学和热物理性能的基本思路：从3D编织复合材料的微观和细观尺度进行分析，即作为一个多尺度问题进行处理。在微观尺度，根据碰撞算法建立了纱线代表体积单胞，并通过施加合理的边界条件，计算得到了相应的力学与热物理性能；在细观尺度上，利用参数传递法，把以上获得的性能参数，直接应用在细观尺度有限元单胞模型的计算上，进而预测了3D编织复合材料的力学与热物理性能。

为了研究3D编织复合材料积累损伤破坏的过程，建立了与单元特征长度、局部的应变和材料的断裂能释放率相关的损伤演化模型，应用Python语言实现了对ABAQUS的二次开发，将3D Linde失效准则和Von-Mises应力准则分别用于纱线和基体的渐进损伤判断，并确定材料的整体失效模式；对于纱线与基体之间的界面（纱线/基体界面），引入了内聚力模型（CZM），并采用Quads准则进行损伤判断。通过施加周期性位移边界条件，采用参数化讨论方法，确定了一组合理的纱线/基体界面性能参数，进而预测了材料的极限破坏强度。在此基础上，对考虑纱线/基体界面脱粘的3D编织复合材料的单轴拉伸应力-应变行为进行了渐进损伤数值模拟，详细讨论了在单轴拉伸载荷作用下材料的细观损伤起始、扩展和最终失效的演化过程，分析了材料的细观损伤失效机制，并研究了纱线/基体界面性能对材料整体力学行为的影响规律。研究结果表明，纱线/基体界面弹性模量对3D编织复合材料的拉伸模量具有显著的影响，并且纱线/基体界面损伤是引起单轴拉伸应力-应变曲线出现非线性的关键因素。

热物理性能作为表征3D编织复合材料性能的一个重要指标，本论文采用多尺度研究方法，详细研究了3D编织复合材料的热物理性能，并着重考虑了纱线/基体界面性能对3D编织复合材料的整体热物理性能的影响。由于纱线/基体界面性能（热传导性能和热膨胀性能）很难能通过实验方法直接获得，本论文提出一种新的材料参数反推方法，根据现有的3D编织复合材料的宏观实验，通过参数化讨论的方法，确定了合理的纱线/基体界面性能参数，进而用于预测不同编织结构的3D编织复合材料的热物理性能。在此基础上，对比研究了纱线/基体界面性能对三维四向（3D4D）和三维五向（3D5D）编织复合材料的热物理性能的影响，获得了一些有价值的结论。