一种新型三维编织复合建筑材料的细观模型分析 3页

材料应用一种新型三维编织复合建筑材料的细观模型分析1，2112朱志刚蔡东赵琼梅李永池（1.广东建设职业技术学院土木工程系，广东广州510440；2.中国科学技术大学近代力学系，安徽合肥271026）摘要：针对四步法编织复合建筑材料，在F.K.KO定义的含有四根对角线方向的纱线的编织复合材料的立方体单胞的基础上建立了八单元分析模型，通过对其编织结构的分析，推导了此种模型编织参数间的相互关系，并结合实例对编织复合材料的弹性性能进行了数值预测，模型可以作为进行材料设计的理论参考依据。关键词：八单元模型；编织复合建筑材料；细观结构参数；力学性质中图分类号：TB33文献标识码：A文章编号：1674—3024（2016）19—01—02引言三维编织复合建筑材料是近年来开发研制的新型复合材料，相对于其它一般层合复合材料来说，三维编织复合材料不仅具有一般复合材料的优点，还具有比强度高，不易分层，整体性好，损伤容限性能和抗冲击性能较好等优点，因此在汽车b.第一步后的位置c.第二步后的位置制造，航空航天等工业领域备受关注，并且已经在航空航天等领域得到了广泛地运用。由于它具有一般层合复合材料不具有的优良的力学性能和结构可设计性，因此关于它的内部结构分析的模型已经引起了国内外学者的广泛关注，并且有了较深入地研究，目前的研究一般是在FrankKO提出的纤维构造的基础上建立的分析模型，其中比较有代表性的分析模型主要纤维几何模型、纤维倾斜模型和吴德隆等三细胞模型等。王志海，李d.第三步后的位置e.第四步后的位置永池等采用实验与有限元相结合的方法对三维四向碳纤维材料图1四步法编织过程基本力学特性进行了研究；在进行三维四向复合材料的细观力根据编织材料的编织工艺和编织过程得到一个典型的四步学性能研究方面，主要有中国学者张汝光等人提出了张汝光-许守勃习惯强度准则等，文献[4-11]采用均匀化理论和有限元方法编织材料的单胞如图2所示，其结构尺寸为la×lb×lc（la,lb,lc法预测了材料的力学弹性性能。本文针对四步法编织复合材料，分别是单元的长宽高）；对单胞进一步进行研究，可将其看成为在F.K.KO定义的含有四根对角线方向的纱线的编织复合材料如图2所示的八单元模型，其中每个单元的内部结构如图5所的立方体单胞的基础上建立了八单元分析模型，通过对其编织结构的分析，推导了编织参数间的相互关系，并结合实例对编示，含有一方向不同于别的单元的纤维束，令z方向为编织方织复合材料的弹性性能进行了数值预测，模型可以作为进行材向，纤维束与编织方向的夹角为θ(如图5)，纤维束在xoy平面料设计的理论参考依据。的投影与x轴的夹角为Ω(如图2)，令纤维的横截面为椭圆形2单元几何模型的建立(如图4)，其长轴和短轴分别为a和b，有：Y在四步法编织(见图1)中，因考虑到编织后材料的稳定性，在此编织纱与基体复合后，仍保持原状；编织纱与基体之间没X有间隙地紧密相切，相互挤压较小。编织纱通过它们之间的相Ω对位移而相互卷绕，如图1（a）表示原始的六行纱线的安排，第一步：相邻的排中的携纱器沿x方向交替移动一个位置；第Z二步：相邻的列中的携纱器沿z方向交替移动一个位置；第三图2单胞的八单元模型图3单胞步和第四步分别与第一步和第二步的移动位置相反。经过第四2aγ步以后，完成了一个机器循环。重复上述步骤，纱线将相互交织而形成一定长度的预制件。2bz图4纤维束横截面图5单元结构每个单元的纤维的体积为：Ox2（1）⎛⎞dyVlf=π⎜⎟⎝⎠2a.原始位置其中d=min(b)，l是单元中的纤维长度，整个纤维的体积建筑建材装饰1 材料应用分数为：再根据应变余能理论，有每个单元的总应变余能为：Vf（2）σ（7）v=×100%wSd=σσf∫ijijV其中Vlll=，对于椭圆来说有a≥b，故只需分析在长轴大根据编织复合材料的应力应变关系和式（7）有：abc于或等于短轴的时编织复合材料的性能即可，因此有在任一个12（8）wS=σ单元中纤维的体积分数为：2πdlll2222++（3）同理只考虑纤维和基体某个方向上的应变余能时有纤维的abcv=×100%flllabc应变余能为：[5]1（9）由4d，2d，2d（θ是复合材料的σf+υfijυfijla=lb=lc=wdfi=−∫()σjσσmkkftansin2θΩcosΩsinΩEEfijfij编织角，Ω是纤维在XOY平面的射影与X轴的夹角）有:基体的应变余能为：πθ1tansin2+Ω2σm1+υυ（10）()（4）wd=−()mijmijσσvf=×100%mm∫EEkk8mijmij在编织材料的形成过程中一般情况下Ω为450，此时根据每个单胞的应变余能可以看作是纤维和基体的应变余能之和，即有：la，lb，lc三者之间的关系可以得出vf的最大值vf=68%(11)www=fm+3弹性性能的预测公式的推导与算例将式（8），（9），（10）代入有：三维编织复合材料的每个单元可以看成是由纤维和基体两(12)12σσfm11+υfijυυfij+mijυmijSddσ=−+()σσσ()−σσ种成分组成的集合体，每个单元可以看成各向异性的单向复合∫∫ijmkkfmkkm2EEEEfijfijmijmijε=Sσ材料，根据各向异性的应力应变关系有：ijijij即为：n由于在单元体中，可以认为三者在方向ij的应力大小都相ε=S:σ，单元内的纤维束和基体都可以认为是具有横观各向同性的单向复合材料，根据各向同性的本构关系：σ=σσ+等，即fm，故有：13+υυ11ε=−σδijijσ0Svvij=+fmEEEEfijmij(13)有纤维的本构关系：Sij即为编织材料的等效柔度矩阵，根据工程弹性常数与柔13+υυ（5）度矩阵之间的关系即可求得工程弹性常数，算例为纤维束为fijfijε=−σδσfijEEijijf0AS4碳纤维，基体为EPON862其性能参数采用表1的数据，计fijfij算曲线和试验曲线比较接近。基体的本构关系为13+υυ（6）mijmijε=−σδσmijijijm0EEmijmij表1纤维和基体的性能参数EGp()参数xaEya()GpGGxy()paGGpyz()aυxyυyz材料AS4碳纤维234.6013.813.85.470.2000.300EPON8622.972.971.111.110.3400.340对于编织方式如图1的四向编织材料，根据上述方法可求织复合材料采用的细观FE模型数据进行了对比，其关系曲线得的工程弹性常数：弹性模量E，剪切模量G和泊松比υ与编如图6、7、8所示：织角θ之间的数据如表2所示，并将其与文献[12]中的三维编表2不同编织角下八单元模型与FE模型的性能参数参数E1E2G12V12V23模型编织角（度）448.96.22.70.640.26八单元模型8.15.74.40.390.2FE模型358.35.52.50.650.27八单元模型13.15.44.30.430.3FE模型2885.22.40.640.28八单元模型2建筑建材装饰 材料应用165.23.20.450.33FE模型308.15.42.50.650.28八单元模型25.47.05.00.470.28FE模型）1535）15引起了国内外学者的广泛关注并且有了较深入地研究，本文针八八八编八14demo八八八编八demodemodemo14demoFE编八编八demodemodemo1413FE编八3013E1(GPa12demodemodemodemoE1(GPaE2(GPa)12demodemodemodemo12E2(GPa)对四步法编织复合材料，在F.K.KO定义的含有四根对角线方向112511demodemodemodemodemodemodemodemo101010的纱线的编织复合材料的立方体单胞的基础上建立了八单元分9demodemodemodemo20demodemodemodemo98887demodemodemodemodemodemodemodemo715析模型，通过对其编织结构的分析现对全文总结如下：6demodemodemodemo66编编编编编编编编编编编编编编编编编编编编编编编拉拉编编demodemodemodemo55编编编编编拉拉编编104demodemodemodemo4demodemodemodemo4（1）在FrankKKO定义的纤维构造的基础上，根据其提33demodemodemodemo5demodemodemodemo2221262830323436384042444626283032343638404244461出的立方体单胞结构模型建立分析了八单元模型，并且在其基编编编编编编编编编织复合材料的编织角础上分析讨论了复合材料整体材料性能和纤维束以及基体之间（a）（b）的关系。图6弹性模量E与编织角θ之间的关系图（2）在对编织材料内部的纤维束和基体分析的基础上，推88导和讨论了编织材料编织参数间的关系，分析了编织角对编织八八八编八demoFE编八demodemodemo(GPa)(GPa)771212demodemodemodemo复合材料工程弹性常数的影响。66demodemodemodemo55（3）结合实例对编织复合建筑材料的工程弹性常数进行了demodemodemodemo44G12demodemodemodemo编织复合材料的剪切模量G编织复合材料的剪切模量G数值预测，并得到相应的曲线关系，与FEM模型较为一致。33demodemodemodemo22demodemodemodemo参考文献1demodemodemodemo100[1]FrankKK，ChritipherMP.Structureandpropertiesofan2628303234363840424446编编编编编编编integrated3-Dfabricforstructurecomposite[J].RecentAdvancesin图7剪切模量与编织角之间的关系CompositesintheUnitedStatesandJapan，ASTMSTP，1985，864：121.00.7120.350.50428-439.V八八八编八V23八八八编八23demoFE编八demodemodemoVdemoFE编八demodemodemoV0.450.8demodemodemodemo0.6demodemodemodemo[2]王志海，李永池等.三向纤维复合材料的冲击性能和抗侵0.40demodemodemodemo0.30demodemodemodemo0.35复复编编复复复0.60.5复复编编复复复demodemodemodemo复复编编复复复demodemodemodemo复复编编复复复彻破坏机理研究.[D].中国科学技术大学.安徽合肥，2008.0.30demodemodemodemoBdemodemodemodemo0.40.40.25[3]王善元，张汝光等.纤维增强复合材料[M].中国纺织工demodemodemodemo0.25demodemodemodemo0.20demodemodemodemodemodemodemodemo0.20.3demodemodemodemodemodemodemodemo0.15业出版社，1998（11）0.026283032343638404244460.20.2026283032343638404244460.10编编编编编编编编编编编编编编[4]SunHY，DiSL，ZhangN，etal.MicromechanicsofbraidedcompositesviamultivariableFEM[J].Computersand（a）（b）Structures，2003，81（20）：2021-2027.图8泊松比V与编织角之间的关系[5]裴晓园.三维四向编织复合材料试验模态分析[D].天由表2和图6，图7，图8可得到八单元模型编织复合材料津：天津工业大学，2010.的力学性能参数基本与FEM模型一致，且基本弹性模量随着编[6]严实，吴林志，孙雨果等.三维四向编织复合材料有效性织角的增大而增大，原因可能是因为编织角的增大导致内部结能的预报[J].复合材料学报，2007（1）构越来越紧凑，因而使复合材料的整体刚度增大；编织复合材[7]LiS;GhoshSModelinginterfacialdebondingandmatrix料的剪切模量随着编织角的增大而增大，可能是因为纤维束是crackinginfiberreinforcedcompositesbytheextendedvoronoicell从一表面过渡到另一表面，剪切应力由连续纤维和基体共同承FEM2007.担，编织角的增大导致两者之间的紧密程度增大，抗剪切刚度[8]孙慧玉.三维编织复合材料力学行为研究进展[J].材料科增大，因而剪切模量增大；泊松比随着编织角的增大而减小，学与工程学报，2010.可能是由于编织角的增大，纤维和基体的结合导致横向的抗弹[9]张芳芳、姜文光、刘才.三维四向编织复合材料参数化单性强度改变量小于纵向抗弹性强度改变量，因此导致横向应变胞模型建立及弹性规律数值预测[J].机械工程学报，2014（8）的改变量小于纵向应变的改变量。[10]张芳芳，姜文光，于春蕾等.基于区域叠合有限元技术4结论预测三维编织复合材料弹性性能[J].燕山大学学报，2012（3）[11]汪星明，邢誉峰.三维编织复合材料研究进展[J].航空学新型三维编织复合建筑材料是近年来迅速发展起来的结构报，2010（5）复合材料，由于它具有一般层合复合材料不具有的优良的力学性能和结构可设计性，因此关于它的内部结构分析的模型已经（上接第13页）措施[J].民营科技，2015（11）：130.综上所述，控制工程造价中的预决算审查问题从大环境背[2]王巍.工程预决算审查的几个问题对有效控制工程造价景上来说，能够实现资源的优化配置，提高资源利用效率，推动的意义[J].民营科技，2015（12）：147.绿色经济的发展，从微观上来说，是实现施工项目经济效益的关[3]陈锐.有效控制工程造价的工程预决算审查问题分析[J].键所在。因而面对当前预决算审查出现的审查主观、审查虚报、江西建材，2016（11）：244，249.审查随意等问题，要求从制定相关法律法规、明确预决算审查内[4]李桂芳.工程预决算审查的几个问题对有效控制工程造容、提高人员素质、创新审查方式等入手，解决当前的问题。价的意义[J].江西建材，2015（16）：233，235.参考文献[1]张宗刚.有效控制工程造价中的预决算审查问题的有效建筑建材装饰3