基于改进三胞模型考虑孔隙缺陷的三维四向编织复合材料多尺度力学性能分析

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.002

复合材料科学与工程 ›› 2023, Vol. 0 ›› Issue (2): 14-23.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230228.002

基于改进三胞模型考虑孔隙缺陷的三维四向编织复合材料多尺度力学性能分析

张怀, 李成^*, 刘乐, 龚桂林

郑州大学机械与动力工程学院,郑州 450001

收稿日期:2022-01-10 出版日期:2023-02-28 发布日期:2023-04-28
通讯作者: 李成(1962—),男,教授,博士生导师,主要从事复合材料结构强度方面的研究,chengli@zzu.edu.cn。
作者简介:张怀(1996—),男,硕士研究生,主要从事复合材料力学性能方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金民航联合基金(U1833116)

Multi-scale mechanical properties analysis of three-dimensional four-direction braided composites considering pore defects based on improved three-cell model

ZHANG Huai, LI Cheng^*, LIU Le, GONG Guilin

School of Mechanical and Power Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China

Received:2022-01-10 Online:2023-02-28 Published:2023-04-28

摘要/Abstract

摘要： 编织复合材料在制造过程中不可避免地会出现孔洞缺陷,这些缺陷直接影响编织复合材料的力学性能。基于开源软件TexGen^[1]实现编织复合材料内胞、面胞和角胞的参数化建模,在面胞和角胞模型中均考虑了纱线轨迹在空间中的偏移和受到打紧工序时纱线之间的相互挤压。利用random函数在微观尺度微观模型的基体中引入孔隙单元来模拟纤维束内干斑,在细观尺度上的三单胞模型基体中引入孔隙单元来模拟纤维束间孔隙,在宏观尺度上建立含内胞、面胞、角胞细观单元宏观均质模型对宏观弹性常数进行预测。结果表明:①孔隙率对细观尺度三类单胞模型的弹性常数影响程度不同;②纤维束内干斑孔隙对宏观弹性性能的影响要大于纤维束间孔隙,随着干斑孔隙率P_m增加,纵向泊松比减小,而随着纤维束间孔隙率P_n增加,纵向泊松比呈现出递增的趋势。

关键词: 三维四向编织复合材料, 孔隙率, 三单胞模型, 多尺度

Abstract: Hole defects inevitably occur in the manufacturing process of braided composites, which directly affect the mechanical properties of braided composites. Based on the open source software TexGen^[1], parametric modeling of the inner cell, face cell and corner cell of braided composites was carried out. In the face cell and corner cell models, the deviation of yarn trajectory in space and the extrusion deformation when subjected to the tightening process are considered. The random function is used to introduce pore units into the matrix of microscopic model at micro scale to simulate dry spots in fiber bundles, and pore units are introduced into the matrix of tri-cell model at micro scale to simulate pores between fiber bundle. On macro scale, a macroscopic homogeneous model with inner cell, face cell and corner cell is established to forecast the macroscopic elastic constants. The results show that: ① The porosity has different effects on the elastic constants of the three types of microcellular models; ② The influence of dry spot pores in fiber bundles on macroscopic elastic properties is greater than that between fiber bundles. With the increase of dry spot porosity P_m, the longitudinal Poisson’s ratio is reduced, while with the increase of porosity P_n between fiber bundles, the longitudinal Poisson’s ratio presents the increasing trend.

Key words: three-dimensional four-direction braided composites, porosity, tri-cell model, multi-scale

中图分类号:

TB332

张怀, 李成, 刘乐, 龚桂林. 基于改进三胞模型考虑孔隙缺陷的三维四向编织复合材料多尺度力学性能分析[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(2): 14-23.

ZHANG Huai, LI Cheng, LIU Le, GONG Guilin. Multi-scale mechanical properties analysis of three-dimensional four-direction braided composites considering pore defects based on improved three-cell model[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2023, 0(2): 14-23.

参考文献

[1] LIN H, BROWN L P, LONG A C. Modelling and simulating textile structures using TexGen[J]. International Conference on Textile Engineering and Materials (ICTEM 2011), 2011, 331: 44-47.
[2] CHEN L, TAO X M, CHOY C L. On the microstructure of three-dimensional braided preforms[J]. Composites Science and Technology, 1999, 59(3): 391-404.
[3] 徐焜, 许希武. 四步法三维矩形编织复合材料的细观结构模型[J]. 复合材料学报, 2006(5): 154-160.
[4] LI D S, LI J L, CHEN L, et al. Finite element analysis of mechanical properties of 3D four-directional rectangular braided composites Part 1: Microgeometry and 3D finite element model[J]. Applied Composite Materials, 2010, 17(4): 373-387.
[5] FANG G D, LIANG J, WANG Y, et al. The effect of yarn distortion on the mechanical properties of 3D four-directional braided composites[J]. Composites Part A-Applied Science and Manufacturing, 2009, 40(4): 343-350.
[6] 石多奇, 牛宏伟, 景鑫, 等. 考虑孔隙的三维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法[J]. 航空动力学报, 2014, 29(12): 2891-2897.
[7] 徐焜, 钱小妹. 随机孔隙缺陷对3D编织复合材料力学性能的影响研究[J]. 固体力学学报, 2013, 34(4): 396-400.
[8] 张兆杭, 崔少康, 谭志勇, 等. C/C-SiC缎纹编织复合材料孔隙缺陷的建模及其拉伸性能仿真[J]. 复合材料学报, 2020, 37(8): 1969-1980.
[9] 齐泽文, 胡殿印, 张龙, 等. 含孔隙三维四向编织复合材料力学性能的双尺度分析[J]. 推进技术, 2018, 39(8): 1873-1879.
[10] 陈滨琦. 基于多尺度方法的复合材料层合板结构失效机理研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2016.
[11] XU K, QIAN X. Microstructure analysis and multi-unit cell model of three dimensionally four-directional braided composites[J]. Applied Composite Materials, 2015, 22(1): 29-50.
[12] 陈利, 李嘉禄, 李学明. 三维编织中纱线的运动规律分析[J]. 复合材料学报, 2002(2): 71-74.
[13] 彭秀钟, 范进. 基于面-内胞模型的三维四向编织复合材料渐进损伤数值模拟[J]. 复合材料学报, 2021, 38(2): 545-556.
[14] ZHANG C. XU X. Finite element analysis of 3D braided composites based on three unit-cells models[J]. Composite Structures, 2013, 98: 130-142.
[15] XIA Z H, ZHANG Y F, ELLYIN F. A unified periodical boundary conditions for representative volume elements of composites and applications[J]. International Journal of Solids and Structures, 2003, 40(8): 1907-1921.
[16] 张超, 许希武, 严雪. 纺织复合材料细观力学分析的一般性周期性边界条件及其有限元实现[J]. 航空学报, 2013, 34(7): 1636-1645.
[17] 戴福洪, 杜善义. 复合材料RTM制造工艺数值模拟研究进展[J]. 宇航材料工艺, 2002(6): 14-18.

基于改进三胞模型考虑孔隙缺陷的三维四向编织复合材料多尺度力学性能分析

Multi-scale mechanical properties analysis of three-dimensional four-direction braided composites considering pore defects based on improved three-cell model

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[1]	耿健, 董九志, 梅宝龙, 蒋秀明. 三维四向碳/碳复合材料力学性能预测与试验验证[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 54-60.
[2]	刘帅, 王真, 卢国盛, 刘芳, 沈敏. 三维编织复合材料细观结构建模关键问题研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(1): 13-21.
[3]	杨威亚, 高东晨, 铁瑛, 张臻臻, 葛超坤. 基于多尺度分析的EMAA自修复缝线复合材料层间增韧作用研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(9): 29-35.
[4]	刘乐, 时建纬, 杨晶晶, 李成. 碳纤维平纹与斜纹编织复合材料低速冲击多尺度分析与对比[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(1): 16-25.
[5]	李伟, 李森, 王洪强. 应力损伤下玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及能量耗散试验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(1): 55-62.
[6]	胡秀月, 庞建勇, 雷成祥. 玄武岩纤维混凝土孔隙结构及在围压下渗透性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(1): 94-99.
[7]	袁超, 李锋, 陈静, 邱启艳. 复合材料C形梁R角孔隙率影响因素研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(8): 105-109.
[8]	毛义梅, 郭建军, 郑诗宏, 毛雅赛. 酚醛树脂在线预浸拉挤工艺探索[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 111-114.
[9]	章宇界, 叶奇飞, 梁燕民, 刘启抱, 柯常宜, 叶鹏华. 复合材料蒙皮双真空固化工艺研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 79-82.
[10]	张晨曦, 娄源峰, 铁瑛, 丛世凡, 李要磊. 基于渐进均匀化多尺度方法的CFR平纹机织材料冲击后压缩损伤研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(10): 5-12.
[11]	张毅, 杨瑞瑞, 郭万涛, 陶红波. 碳纤维/乙烯基树脂预浸料双真空袋成型工艺研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(10): 96-100.
[12]	陈有松, 韩红阳, 胡红成, 张道童. 玻纤复合材料多尺度本构建模及其应用研究[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(5): 84-89.
[13]	李崇瑞, 高聪, 史鹏程, 颜春. 纤维增强树脂基复合材料多尺度界面模拟研究与进展[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(11): 116-122.
[14]	束长朋, 杨鹏翱, 施正堂, 周权. 高碳酚醛树脂及其复合材料的炭化性能演变[J]. 玻璃钢/复合材料, 2019, 0(3): 76-81.
[15]	袁超, 程文礼, 陈静. 复合材料非热压罐成型孔隙率研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2019, 0(12): 89-93.