一种改进的三维四向编织复合材料单胞模型及宏观弹性常数预测方法

王荣桥^1,2,3，刘茜¹，胡殿印^1,2,3，张龙¹，申秀丽^1,2,3

1. 北京航空航天大学能源与动力工程学院2. 航空发动机结构强度北京市重点实验室

摘 要：提出了一种考虑打紧工艺导致纤维束截面形状沿其轨迹方向连续变化的三维四向编织复合材料改进单胞模型,并用于宏观弹性常数预测方法。首先,基于编织工艺过程分析,确定了单胞内部的纤维束布局形式;然后,从几何上推导了纤维束受挤压部位的位置坐标,并假设纤维束在受挤压前截面为圆形,受挤压部位发生圆形到椭圆的过渡变化,导致纤维轨迹产生弯曲,建立了纤维束截面为圆形和椭圆连续变化的改进单胞模型。通过该模型推导单胞编织参数和几何尺寸的数学关系,由此得出的几何特征数据与试件实测数据较为吻合,花节长度的预测值相对误差小于4%,相比于不考虑纤维束挤压变形的单胞模型更接近实际情况。最后,基于该改进的单胞模型,预测了三维四向编织复合材料的宏观弹性常数,并进一步研究了编织角和纤维体积分数对弹性常数的影响规律。

关键词：复合材料;三维四向编织;纤维束挤压变形;单胞模型;细观力学有限元法;宏观弹性常数;