三维编织陶瓷基复合材料刚度模型及刚度性能的分析的研究

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1、南京航空航天大学博士学位论文摘要三维编织陶瓷基复合材料（CMCs）具有诸多优异的高温力学性能，逐渐替代高温合金材料在航空航天热端部件得到越来越广泛的应用。由于三维编织CMCs的细观结构复杂，以及CMCs力学性能分析的不成熟，再加上三维编织CMCs由于其特有的成型工艺造成纤维性能的改变，界面层、空洞又使得问题复杂化，目前国内外对三维编织CMCs的刚度性能研究很少。因此，开展三维编织CMCs力学性能研究具有重要的理论意义和工程价值。本文主要进行了以下几方面的研究：（1）提出三维纵横步进编织预制件及复合材料结构的仿真方法并开发三维纵横步进编织的仿真系统。基于纵横步进编织的编织原理，通过引入编

2、织图的概念，首先采用数学中集合和置换理论建立编织模式与方格阵之间的数学模型，将编织过程转换为数学运算过程，随后开发三维编织物空间形状和位置数据的设计计算程序，并通过Bezier曲线拟合纱线路径，从而建立三维四步法编织预制件及复合材料的计算机仿真方法；随后，利用VisualC++6.0并以UGNX2.0为仿真平台开发纵横步进编织的仿真系统。（2）将三细胞模型改进并发展提出三维编织CMCs的细观几何模型。模型包括内部单胞、两种表面单胞和棱角单胞三种单胞类型，通过详细分析各单胞中纤维束走向来考虑纤维束内部的弯曲，通过描述界面层对纤维细观尺寸的影响来考虑纤维表面沉积的界面层结构，通过在各类单胞

3、内引入平均纱线填充因子来考虑纤维束内部的挤压情况。在此基础上推导编织工艺参数以及模型结构参数之间的关系。（3）建立三维编织CMCs的拉压刚度模型。模型考虑纤维束之间的孔洞以及纤维就位性能的影响。在分析时首先根据组分性能确定三种单胞类型中的单向复合材料杆的刚度矩阵，然后得到各单胞在整体复合材料坐标系下的刚度矩阵，进而采用刚度平均化方法求解三维编织CMCs的总刚度矩阵。随后对三维编织C/SiC复合材料刚度性能进行预测，通过与试验结果比较，验证所建立模型的正确性。（4）应用本文提出的拉压刚度模型，数值分析研究纤维体积含量和编织角对三维编织CMCs各类单胞刚度性能的影响规律；数值分析研究纤维体

4、积含量、编织角、试件编织体列数、界面层厚度以及孔洞体积含量等细观结构参数对三维编织CMCs刚度性能的影响规律；并分析研究基体性能、纤维性能等组分材料性能参数对三维编织CMCs刚度性能的影响。（5）提出三维编织CMCs的弯曲刚度模型。将复合材料结构分为上、i三维编织陶瓷基复合材料刚度模型及刚度性能分析研究下表面层和内部层，推导各层的刚度矩阵，并基于材料力学相关理论建立弯曲刚度矩阵。随后对三维编织C/SiC复合材料弯曲模量进行预测，通过与试验结果比较，验证所建立模型的正确性。随后进一步研究各细观结构参数以及材料组分性能对弯曲刚度的影响。关键词：陶瓷基复合材料，三维编织，三细胞模型，刚度平均

5、化方法，拉压刚度，弯曲刚度ii南京航空航天大学博士学位论文ABSTRACTThree-Dimensional(3-D)braidedceramicmatrixcomposites(CMCs)arenewlydevelopedstructuralmaterialswithexcellenthightemperatureproperties,andhavebeguntotaketheplaceofhightemperaturealloysandbeenmoreandmorewidelyappliedinhotcomponentsofaviationandaerospace.Becauset

6、hemicrostructureof3-DbraidedCMCsareverycomplex,theresearchonmechanicalpropertiesofCMCsisimmature,themechanicalpropertiesoffiberwilldecreaseduringtheuniquepreparingprocess,andinterfacelayersedimentatedaroundthefibersandcavitiesinthematrixmaketheproblemmorecomplicated,fewresearchfocusonstiffnesspr

7、opertiesof3-DbraidedCMCs.Therefore,it’sveryimportanttoresearchonthisaspect.Themainresearchworksinclude:1.Thesimulationmethodof3-Dtrackandcolumnbraidingperformsandbraidedcompositestructuresisproposedandsimulationsystemof3-Dtr