● 摘要
三维编织复合材料是一种新型的复合材料，具有非常优异的力学性能，广泛应用于航空航天等领域。传统获取三维编织复合材料细观结构的方式主要是研磨方法。该方法破坏材料本身、改变材料表面的结构，难以对材料的力学性能进行有效评价。计算机层析成像（computed tomography, CT）是一种先进的非接触式测量技术，可无损地全息获取构件内部结构。为此，本文结合工业CT和有限元技术，对三维编织复合材料有限元模型构建方法进行了研究，以期实现更为准确的力学性能分析。本文开展的研究工作及取得的进展如下：(1) 研究形成了基于CT技术的复合材料有限元模型构建方法。首先，通过CT技术获取材料的内部细观结构；其次，经图像降噪、二值化、边缘提取等一系列图像处理操作，得到细观结构的轮廓信息；再次，采用矢量转换技术，将细观结构图转换为ANSYS可以接受的矢量化文件，并导入ANSYS建立数值模型。(2) 基于数值模型，分析了三维编织复合材料的力学性能。通过建立三维编织复合材料的“米形”模型，获得每一层的CT模拟数据，采用本文研究的有限元模型构建方法建立数值模型，分析了该复合材料的力学性能，并对该材料的弹性性能和强度进行了预报。通过建立不同纤维含量和编织角的数值模型，分析了纤维含量和编织角对三维编织复合材料力学性能的影响。(3) 以实际复合材料CT数据，验证了该模型构建方法的有效性。基于本文研究的复合材料有限元模型构建方法，采用真实的复合材料CT图像建立了数值模型，通过实验进一步证明了该方法的有效性及可行性。本文通过CT技术无损获取三维编织复合材料的细观结构，并结合数字图像处理、矢量转换和有限元技术，可建立材料力学性能的高精度数值模型，为三维编织复合材料的加工工艺优化提供了参考，为复合材料优化设计、性能评价提供了必要的理论依据及手段，对改进提高复合材料的性能有重要意义。