一种机织管状立体复合材料力学性能的分析方法技术

本发明专利技术提供一种机织管状立体复合材料力学性能的分析方法，所述分析方法步骤为：机织管状立体复合材料的细观结构分析；机织管状立体复合材料的刚度分析：机织碳纤维圆管复合材料的有限元分析：在以下两种情况下对圆管进行有限元分析：第一种是圆管在相同材料、不同受力情况；第二种是圆管在相同受力、不同材料情况：在相同的尺寸和受力情况下分别进行有限元分析并得出结论。本发明专利技术通过细观力学的理论和方法对机圆织管状复合材料进行分析设计，充分发挥其材料潜力，优化复合材料的力学性能，使之能够应用的更加广泛。之能够应用的更加广泛。之能够应用的更加广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种机织管状立体复合材料力学性能的分析方法


[0001]本专利技术属于复合材料力学性能的分析方法领域，尤其涉及一种机织管状立体复合材料力学性能的分析方法。

技术介绍

[0002]目前，复合材料的力学性能研究有两种基本方法，即细观力学方法和宏观力学方法。宏观力学方法中不考虑材料的细观结构，假设材料是均匀各向异性的材料中的应力和应变都是定义在宏观尺度上的，即这种宏观的应力和应变量并不是基体相和增强相的真实应力和应变，而仅仅是它们在宏观尺度上的某种平均值，材料的其他参数也都是定义在宏观尺度上的。这些材料参数只能通过实验方法来获得。而细观力学方法则要考虑复合材料由基体相和增强相所组成的具体结构，然后根据细观结构的几何特点，各相材料的性能以及界面的特性来预测和设计复合材料的宏观力学性能。
[0003]根据复合材料的构成方式和组分材料的性质，用细观力学的分析方法从理论上估算它的性能，是复合材料研究与开发的一个重要手段。材料的细观力学和细观设计理论几乎与复合材料本身同步发展，并且在材料细观结构与宏观性能之间关系的这一关键问题上进行了长期的探索，特别是近三十年来，取得了许多研究成果，并逐渐形成了细观力学这一学科分支，人们力图依照细观力学的原理来设计和优化复合材料，推动新型复合材料的研制和发展，为了更加真实有效的设计和使用三维纺织复合材料，需对它们的真实细观结构和力学性能进行深入的分析。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种机织管状立体复合材料力学性能的分析方法，所述分析方法步骤为：S1：机织管状立体复合材料的细观结构分析：首先选取一个具有代表性的典型单胞，按照圆织法的成型原理，先选取一个完整的圆周组织，再找出一个圆周组织中最简化的周期性单元，将管状织物的扇形体单胞转化成相同体积的长方体单胞，并确定单胞中包括纱线的取向角、截面尺寸的几何参数，从而推导出三维圆织管状织物纤维体积分数的计算公式，根据体积分数计算公式计算出三维圆织管状织物纤维的体积分数；S2：机织管状立体复合材料的刚度分析：推测细观结构分析中三维圆织组织中纱线的受力情况，依据经纱、纬纱、垂纱三种纱线受力情况的不同，圆织管状构件的纱线可根据其使用力学条件进行选择，利用一组数值型参数来定量表征三维圆织立体织物的几何结构，将局部坐标系转换到整体坐标系得到立体管状织物的刚度矩阵、柔度矩阵及工程弹性常数；S3：机织碳纤维圆管复合材料的有限元分析：在以下两种情况下对圆管进行有限元分析：第一种是圆管在相同材料、不同受力情况：在尺寸、形状、材料都一定的条件下，计算圆管分别受拉力、压力和弯扭矩的应力和位移变化量；第二种是圆管在相同受力、不同材料情
况：在相同的尺寸和受力情况下，分别对不同材料的圆管进行对比分析，验证复合材料突出的力学性能，再根据对圆管有限元分析的结果，绘制应力柱状图对不同情况进行比较，并对相同的尺寸和受力情况下，碳纤维机织物的纱线密度变化对圆管的性能影响进行分析，并对碳纤维复合材料圆管的纬密减少30％和减少50％这两种情况进行有限元分析并得出结论。
[0005]优选的，所述机织管状立体复合材料的刚度分析前需要做出以下基本假设：纱线间距相同，均匀排列分布：织物各处纱线的截面形状保持一致；加载后纤维束的接触处无变形。
[0006]优选的，所述有限分析的标准过程包括：建立有限元模型、施加约束和载荷、求解和分析结果这三个步骤。
[0007]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：通过细观力学的理论和方法对机圆织管状复合材料进行分析设计，充分发挥其材料潜力，优化复合材料的力学性能，使之能够应用的更加广泛。
附图说明
[0008]图1是本专利技术的步骤图；图2是本专利技术的单胞完整圆周图；图3是本专利技术的矩形化后的单胞图；图4是本专利技术的线矩形化的单胞结构图；图5是本专利技术的垂纱应变过程示意图；图6是本专利技术的有限元分析流程图；图7是本专利技术的圆管有限元分析的应力柱状图；图8是本专利技术的圆管有限元分析的位移变化量柱状图；图9是本专利技术的圆管的纬密变化有限元分析的应力柱状图；图10是本专利技术的圆管有限元分析的位移变化量柱状图。
具体实施方式
[0009]下面将结合本专利技术实施例的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0010]以下对本专利技术做进一步描述：实施例：如附图1所示，一种机织管状立体复合材料力学性能的分析方法，所述分析方法步骤为：（1）机织管状立体复合材料的细观结构分析：首先选取一个具有代表性的典型单胞，按照圆织法的成型原理，如附图2所示，先选取一个完整的圆周组织，再找出一个圆周组织中最简化的周期性单元，将管状织物的扇形体单胞转化成相同体积的长方体单胞，由微分概念可知，进行矩形化后的单胞总体积不变，矩形化前后的单胞中纱线只是形状和位置上发
生了改变，体积并未发生改变，在单胞总体积一定的情况下，可进一步做简化，采用矩形化后的单胞进行织物纤维体积分数的计算，以减小计算量；如附图3所示，设纤维截面为长宽尺寸为AxB的长圆形，则可采用截面尺寸为AxB的矩形化模型替换，为了便于区分经纱和纬纱，设定经纱尺寸参数均带角标l，纬纱尺寸均带角标2，垂纱尺寸均带角标3，即经纱截面尺寸为Al
×
B1，纬纱截面尺寸为A2
×
B2，垂纱截面尺寸为A3xB3，设角度为纱线的取向角。由几何关系可知：如附图4所示，设经纱与纬纱采用同一规格增强纤维，即Al=A2=A，Bl=B2=B，同时取垂纱截面为圆形，直径为D，角度可变为：由模型易得矩形化纱线体积为：BD2因此，该单胞模型的纱线体积分数为：根据上述公式，其中为纱线截面填充系数。对长圆形的经纱和纬纱截面：对于圆形的垂纱截面，取A=B，则：由此可推测在紧密的织造条件下，得出纬向垂纱法三维圆织组织的体积分数。
[0011]（2）机织管状立体复合材料的刚度分析：首先以下基本假设：1.纱线间距相同，均匀排列分布：2.织物各处纱线的截面形状保持一致；3.加载后纤维束的接触处无变形；并推测细观结构分析中三维圆织组织中纱线的受力情况，如附图5所示，依据经纱、纬纱、垂纱三种纱线受力情况的不同，如管件以受轴向拉力为主，并需承受较多弯扭应力时，可选择经纱和纬纱为拉伸模量较好的碳纤维或玻璃纤维，而垂纱则可选择拉伸及抗剪等综合性能较好的芳纶纤维，对于各向异性复合材料，其应力-应变方程具有9个独立常数，根据应力-应变方程可以发现，正应力与剪应变、剪应力与正应变、以及不同平面内的剪应力与剪应变之间不存在相互作用，并根据应力-应变矩阵求得柔性矩阵S，通过刚度矩阵与柔度矩阵互逆关系，便可确定刚度矩阵中元素与材料常数之间的关系，进而各向异性的杨氏模量、剪切模量和泊松比可以通过简单的实验来确定，因此就可以求解出刚度矩阵中的各个元素，最后根据刚度矩阵和柔度矩阵互逆的关系，可以求出组织的总柔度矩阵，从中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机织管状立体复合材料力学性能的分析方法，其特征在于，所述分析方法步骤为：S1：机织管状立体复合材料的细观结构分析：首先选取一个具有代表性的典型单胞，按照圆织法的成型原理，先选取一个完整的圆周组织，再找出一个圆周组织中最简化的周期性单元，将管状织物的扇形体单胞转化成相同体积的长方体单胞，并确定单胞中包括纱线的取向角、截面尺寸的几何参数，从而推导出三维圆织管状织物纤维体积分数的计算公式，根据体积分数计算公式计算出三维圆织管状织物纤维的体积分数；S2：机织管状立体复合材料的刚度分析：推测细观结构分析中三维圆织组织中纱线的受力情况，依据经纱、纬纱、垂纱三种纱线受力情况的不同，圆织管状构件的纱线可根据其使用力学条件进行选择，利用一组数值型参数来定量表征三维圆织立体织物的几何结构，将局部坐标系转换到整体坐标系得到立体管状织物的刚度矩阵、柔度矩阵及工程弹性常数；S3：机织碳纤维圆管复合材料的有限元分析：在以下两种情况下对圆管进行有限元分析：第一种是圆管在相同...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴涛，吴祈宏，
申请(专利权)人：天津金锐宏升科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：