三维编织复合材料热力耦合行为研究

The thermo-mechanical coupling behaviors of 3D four-directional braided composites are studied in the project. Based on micro-structure, a representative unit cell model, which considers with the actual configuration of 3D four-directional braided composites, is presented. The model can improve the theoretical prediction precision of 3D four-directional braided composites. Based on the geometry model, the mechanical model of thermo-mechanical coupling behavior analysis for 3D four-directional braided composites is presented by combining thermoelastic mechanics and composites mechanics. The thermo-mechanical coupling behavior and the damage mechanism will be completed and a method to appraise failure in 3D four-directional braided composites is set up. A high efficiency finite element method to calculate the thermo-physical properties, transient-state thermal conduction and themo-mechanical coupling behavior of 3D braided composites is studied based on the multiphase finite element method and precision integration method. A new mechanical numerical simulation software for 3D braided composites is developed. Meanwhile, the study provides a new idea and approach for the researches on the themo-mechanical coupling behavior of 3D braided composites. Moreover,the findings would provide the groundwork to describe the themo-mechanical coupling behavior and the damage mechanism more reasonable, and provide data to enrich the mechanical property database and offer theoretical guidance to the design and preparation of 3D braided structure.

本项目拟对三维四向编织复合材料的热力耦合行为问题展开深入系统的研究。针对三维四向编织复合材料提出能够真实反映内部细观结构的单胞模型，提高理论预报精度。基于三维四向编织复合材料的细观结构几何模型，将热弹性力学与复合材料力学相结合，建立三维编织复合材料热力耦合行为的分析模型，研究三维四向编织复合材料在热力耦合作用下的力学性能和损毁机理，提出材料在热力耦合作用下失效的评价方法。利用多相有限元方法和精细数值算法，提出一种能够快速、高效预报三维四向编织复合材料的热物理特性、瞬态热传导及热力耦合行为的数值计算方法，开发出三维编织复合材料热力耦合行为计算力学软件，为三维编织复合材料的热力耦合行为研究提供新的思路和方法，为合理描述材料在热力耦合作用下的力学行为及损毁机理奠定基础，丰富其力学性能数据库，并可以为三维编织结构的设计与制备提供理论依据。

三维编织复合材料是将古老的编织技术与现代复合材料成型技术有机地融于一体而形成的一种具有独特结构的复合材料，它从根本上克服了单向增强的复合材料层板易分层、开裂等缺点，具有比强度高、比刚度高、优良的抗冲击损伤性能、抗疲劳断裂性能、耐烧蚀性能、结构整体性和可设计性等，因此倍受工程界的普遍关注，在航空、航天和国防等领域得到了广泛应用。但大部分航空航天飞行器均在复杂的热环境下工作，结构件内部将产生热应力，从而影响结构件的正常工作和材料的力学性能，因此要求编织复合材料具有高度的环境适应性，能在剧烈的环境变化中保持结构的高度稳定性。作为结构材料使用的三维编织复合材料能否适应其工作环境的温度变化，与其热物理性能热力耦合行为密切相关。因此，开展三维编织复合材料的热物理特性及热力耦合行为的研究是航空航天飞行器结构设计的重要基础和关键技术支撑，对提高我国国防实力具有极其重要的意义。本项目针对不同编织角度的三维四向编织复合材料，进行了热环境下的热物理性能实验和热环境下的纵向拉伸与压缩力学性能实验研究，获得了热环境下三维四向编织复合材料的热物理性能变化规律及其分布特征，分析了环境温度和编织角对材料的热膨胀系数、热传导系数、比热以及热扩散率的影响，讨论了环境温度和编织角度对三维四向编织复合材料的纵向拉伸与压缩力学性能的影响，并根据宏观断裂形貌和扫描电镜照片分析了材料在热力耦合作用下的破坏和断裂机理。最后，根据三维四向编织复合材料的编织结构，建立了三维四向编织碳/环氧树脂复合材料的螺旋单胞数值分析模型，对材料在热载荷和机械载荷共同作用下的热力耦合行为进行了数值分析，得到了三维编织复合材料的热力耦合应力场和位移场，并与相应的实验结果进行了对比分析。这些实验数据为进一步研究三维编织复合材料的热力耦合行为奠定了坚实的实验基础，并扩大其应用范围具有重要意义。该项目执行期间共发表相关论文3篇，其中SCI和EI收录2篇，北大中文核心期刊1篇，授权实用新型专利2项，目前仍有一篇论文处于审稿阶段。