编织复合材料板的变分渐近等效模型及其力学性能分析

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编织复合材料板是一种轻质高强,由交错相织的纤维束和基体共同构成,整体力学性能优良,广泛应用于航空航天、国防工业、汽车、建筑工程等领域。目前关于编织复合材料板的研究主要集中在拉伸、弯曲、压缩性能、损伤、抗冲击性能等。但编织复合材料板内部构造较为复杂,建立精确的编织复合材料板数值模型是一个巨大挑战。本文基于变分渐近法建立编织复合材料板等效模型,在保证足够精确的前提下,可以大大减少模型的计算时间,节约计算成本。在此基础上探究了纤维束间距、宽度、厚度、铺层方向等对编织复合材料板力学性能的影响规律。主要工作和研究成果如下:(1)基于变分渐近法,从能量泛函角度出发,推导了编织复合材料板的应变能,对其代表性结构单胞(RSE)进行变分渐近法分析。从能量泛函分析中提取等效刚度矩阵,并以此为基础建立二维等效模型(2D-EPM),将三维编织材料板转化为二维板(壳)进行分析。根据2D-EPM全局宏观响应,通过局部重构关系预测了单胞内局部应力、应变、位移场分布。(2)通过平纹编织板算例,验证了不同边界和加载条件下,二维等效模型(2D-EPM)的精确性和高效性。二维等效模型(2D-EPM)和三维实体模型(3D-FEM)静动力分析误差在0.83%-7.32%范围内,但计算效率提高10倍左右。沿代表性结构单胞(RSE)内指定路径的局部应力、应变变化趋势与三维模型提取单胞局部分布相一致。纤维束间距和宽度对A11和D11的影响较大,而层数直接影响平纹编织板的整体刚度。随着纤维束角度的增加,平纹编织板固有频率也逐渐增加。而纤维束宽度对平纹编织板固有频率的影响呈相反趋势。(3)通过单胞结构更为复杂的三维编织板算例,验证了二维等效模型(2D-EPM)在不同边界和加载条件下的精确性和高效性。与三维有限元模型相比,二维等效模型静动力预测误差在0.12%-8.67%范围内,计算效率提高20倍左右。随着包络线宽度增加,三维编织板的等效刚度下降,而经线(纬线)宽度对等效刚度影响较小,主要影响A11和D11。在等尺寸、等纤维束体积分数条件下,平纹编织板等效刚度较大,在均布载荷作用下的位移更小,而三维编织板的层与层之间通过包络线固定,整体性能和抗扭性能更好。
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