树脂基三维编织复合材料粘弹性力学行为及失效机理研究

树脂基三维编织复合材料，在现代飞行器主承力构件上具有潜在的应用价值。根据我国发展新一代飞行器的背景需求，本项目主要对这类材料的粘弹性力学行为和失效规律进行实验与理论研究。主要包括：设计与制备树脂基三维编织复合材料，实验研究不同温度、不同应力作用下材料的粘弹性力学行为和破坏模式，确定影响材料粘弹性力学性能的各种因素；通过引入时间和温度变量，建立编织复合材料粘弹性行为的宏细观力学模型，研究复杂环境下下材料失效机理与其细观结构和环境因素的关系；对非线性动态有限元技术进行开发和拓展，模拟编织复合材料的粘弹性响应和破坏过程。本项目研究目的在于建立可考虑热环境影响的适用于树脂基三维编织复合材料的粘弹性本构模型、破坏模式及失效机理，为材料粘弹性力学行为的表征与评价提供一种探索性的方法。同时，通过本项目的研究也为编织复合材料在现代飞行器领域的设计和应用提供一些理论基础和技术储备。

三维编织复合材料是一种新型结构材料，在航天领域有着广阔的应用前景。本项目对这类新型复合材料的细观结构、力学性能表征，从实验、计算、理论等角度进行了研究，主要工作包括：（1）基于三维编织工艺，系统地分析了三维多向编织物纱线的面内和空间运动规律。在此基础上,提出了一种新的能真实反映其结构的几何单胞模型,并推导了编织参数之间的数学关系。为进一步建立三维多向编织复合材料力学行为的理论模型奠定了基础。（2）建立了可实现参数化的三维四向和三维五向有限元模型。在此基础上，采用有限元方法计算了三维四向和三维五向编织复合材料的弹性性能和中尺度力学性能，分析了编织角和纤维体积含量对材料力学性能的影响。（3）基于计算三维编织复合材料热膨胀性能的有限元模型，采用有限元方法计算得到了三维编织复合材料的横向和纵向热膨胀系数，分析了热膨胀系数随编织角及纤维体积含量的变化规律。（4）针对常温及不同高温温度下三维编织复合材料进行了三点弯曲实验，获得了其主要力学性能，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观察，探讨了材料的变形及其破坏机理。（5）采用改进的蠕变刚度平均化方法，理论计算了三维编织复合材料的蠕变性能，分析了编织角和纤维体积含量对材料蠕变力学性能的影响。