三维编织复合材料耐压壳的多尺度力学性能研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

三维编织复合材料作为一种新型复合材料，其在编织过程中纱线彼此交错、

相互缠绕，不需要机械加工，纱线损伤较少。因而三维编织复合材料具有很强

的整体性，可以有效克服传统层合板复合材料抗层间剪切和抗冲击方面的不足，

解决纤维缠绕复合材料耐压壳在受到冲击或压溃时分层的问题，从而提升耐压

壳的抗冲击性能，因此在耐压壳领域具有广阔的应用前景。

本文选取国内外新兴的六角形三维编织复合材料作为耐压壳结构的材料，

对六角形三维编织复合材料耐压壳的稳定性进行研究。通过分析多层六角形三

维编织物的拓扑结构和对其进行拉伸模拟等方式建立六角形三维编织复合材料

的多尺度力学性能预测模型，并建立了基于细观等效力学性能的宏观耐压壳非

线性屈曲模型，经过分析得到不同几何参数和初始缺陷的六角形三维编织复合

材料耐压壳失稳临界载荷。

首先，本文采用“二步法”六角形编织工艺，使用编程语言开发了可视化的

参数化六角形三维编织仿真程序，分析了编织工艺参数对编织物拓扑结构的影

响，并发现了多层六角形编织物拓扑结构中的周期性结构。

其次，结合拉伸模拟方法和寻找周期性几何结构，通过路径简化、实体重

建等方式建立了能够表征六角形三维编织复合材料内部单胞的细观尺度模型。

在此基础上引入周期性边界条件，对微细观几何模型的等效力学性能进行预测

并分析了编织角对细观模型等效力学性能参数的影响。

然后，利用参数化仿真软件对编织物结构进行设计，进行双层圆管样件和

三层、四层单边织物样件的编织、固化工作与三层、四层编织复合材料的拉伸

试验。实验结果表明内部单胞含量更高的四层编织复合材料的拉伸模量更接近

细观模型预测结，从而验证了细观模型的准确性。

最后，建立三维编织复合材料耐压壳非线性屈曲模型，并利用现有文献验

证了模型的准确性。将细观模型的等效力学性能参数导入耐压壳非线性屈曲模

型，计算得到六角形三维编织复合材料耐压壳的临界失稳载荷并分析了几何结

构参数和初始缺陷幅值对耐压壳临界载荷的耦合影响。

关键词：三维编织；复合材料；耐压壳；多尺度模型；力学性能

-I-

哈尔滨工业大学硕士学位论文

Abstract

Asanewtypeofcompositematerial,3Dbraidingcompositematerialshave

strongintegritywhichyarnsinterweavewitheachotherduringthebraidingprocess

anddon’trequiremechanicalprocessingtoreducedamagetotheyarns.Therefore,

theycaneffectivelyovercometheshortcomingsoftraditionallaminatedcomposite

materialsintermsofinterlayershearandimpactresistance,andsolvetheproblem

ofdelaminationoffiberwoundcompositepressureshellswhensubjectedtoimpact

orcrushingwhichwillimprovetheimpactresistanceofpressureresistantshells.3D

braidingcompositematerialshavebroadapplicationprospectsinthefieldof

pressureresistantshells.

Thisarticleselectstheemerginghexagonal3Dbraidingcompositematerialas

thematerial