【正文】 .9 理論和數(shù)值方法結(jié)果的比較.............................. . . . . ..........10 垂直纖維方向熱膨脹系數(shù)理論模型的修正...................................12 基體粘彈性對(duì)熱性能的影響........... . ..................................14 小結(jié)...................................................................16第三章 正交鋪層復(fù)合材料的熱性能分析...........................................18 引言...................................................................18 對(duì)稱正交復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)...........................................18 基體粘彈性對(duì)正交鋪層復(fù)合材料熱性能的影響...............................20 非對(duì)稱正交鋪層復(fù)合材料降溫收縮過(guò)程的模擬...............................22 非對(duì)稱正交鋪層復(fù)合材料降溫收縮彎曲的理論解.............................25 小結(jié)...................................................................27第四章 不同纖維排布方式復(fù)合材料熱性能研究.....................................28 引言...................................................................28 六邊形纖維排布方式模型的熱膨脹性能.....................................28 纖維隨機(jī)排列模型的熱膨脹性能...........................................30 小結(jié)...................................................................32第五章 總結(jié)與展望.............................................................33 總結(jié)...................................................................33 工作展望...............................................................34參考文獻(xiàn)......................................................................35致謝.......................................................................36第一章 緒 論 引言復(fù)合材料是由兩種或多種不同性質(zhì)的材料用物理和化學(xué)方法在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料。／NASTRAN軟件建立了單向纖維的細(xì)觀單胞模型，計(jì)算出單向纖維復(fù)合材料在不同纖維體積分?jǐn)?shù)時(shí)的熱膨脹系數(shù)和熱失配應(yīng)力，并與理論結(jié)果進(jìn)行了比較，在此基礎(chǔ)上對(duì)理論模型進(jìn)行了改進(jìn)。隨后在模型中引入粘彈性，研究了基體粘彈性對(duì)單向纖維模型熱膨脹系數(shù)的影響。一般復(fù)合材料的性能優(yōu)于其組分材料的性能，并且有些性能是原來(lái)組分材料所沒(méi)有的，復(fù)合材料改善了組分材料的剛度、強(qiáng)度、熱學(xué)等性能。由于基體樹(shù)脂具有粘彈性性能，使得樹(shù)脂基復(fù)合材料在工作環(huán)境下的粘彈性性能可能表現(xiàn)得非常明顯。但是由于高溫試驗(yàn)成本過(guò)高以及復(fù)合材料不同于金屬材料，其在可設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上所表現(xiàn)出來(lái)的多樣性的特點(diǎn)，這都限制了試驗(yàn)方法的應(yīng)用。在一定溫度條件下，熱膨脹將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，過(guò)大的熱變形可能致使結(jié)構(gòu)失效，使航空航天器無(wú)法正常工作。本文討論的是玻璃纖維/樹(shù)脂集體復(fù)合材料，材料參數(shù)取為： =72GPa，=，==，=，=將數(shù)據(jù)代入和的計(jì)算公式，得到結(jié)果如下表： 理論模型下不同纖維體積含量下單向纖維模型的熱膨脹系數(shù)40%50%60%70%縱向（）橫向（）將此問(wèn)題考慮為一個(gè)平面應(yīng)變問(wèn)題，：一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的帶孔圓柱體，圓柱體的外徑為R，內(nèi)孔半徑為r，孔內(nèi)填充有一根纖維，半徑為r，帶孔長(zhǎng)圓柱體和纖維都受熱膨脹，而熱膨脹系數(shù)不同，引起熱失配應(yīng)力，設(shè)單獨(dú)存在時(shí)，纖維沿徑向伸長(zhǎng)了，帶孔基體沿徑向伸長(zhǎng)了。因此，胞元模型邊界條件的合理選取，是能否得到合理結(jié)果的重要因素。 單纖維模型 單纖維模型的有限元網(wǎng)格在結(jié)構(gòu)分析模式下，設(shè)定模型初始溫度為120176。 有限元模型下不同纖維體積分?jǐn)?shù)的RVE的熱膨脹系數(shù)40%50%60%70%縱向（）橫向（）下圖為RVE的最大主應(yīng)力云圖: 單向纖維模型最大主應(yīng)力云圖由于在RVE上的溫度為均勻的穩(wěn)態(tài)分布。熱失配應(yīng)力隨纖維體積分?jǐn)?shù)變化的曲線圖如下： 熱失配應(yīng)力的理論解 熱失配應(yīng)力的有限元解關(guān)于熱失配應(yīng)力，理論結(jié)果和有限元結(jié)果相差很大，這是因?yàn)樵谟?jì)算熱失配應(yīng)力時(shí)對(duì)于理論模型將基體簡(jiǎn)化為帶孔的圓柱體，與實(shí)際情況的帶孔正方體相差較大，這里只是將理論值作為一個(gè)參考。 基體粘彈性對(duì)熱性能的影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的樹(shù)脂基體是高聚物，具有粘彈性，特別是當(dāng)溫度或荷載水平較高的情況下，粘彈性性能將更顯著。縱向的熱膨脹系數(shù)增大的較少，因?yàn)榭v向的熱膨脹系數(shù)主要由纖維決定；橫向的熱膨脹系數(shù)增大的較多，這是因?yàn)闄M向熱膨脹系數(shù)主要由基體決定。層合板是由單層板按照規(guī)定的纖維方向和次序，鋪放成疊層形式，進(jìn)行粘合，經(jīng)過(guò)熱固化處理而成。C的均勻溫度場(chǎng)，在RVE模型主節(jié)點(diǎn)加對(duì)應(yīng)MPC的鉸支邊界條件，計(jì)算由于溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形。正是由于這一項(xiàng)的貢獻(xiàn)，使得在一定的 范圍內(nèi)出現(xiàn)。當(dāng)兩個(gè)方向的纖維束的體積分?jǐn)?shù)不同時(shí)，在降溫過(guò)程中，模型除了收縮變形外，還可能會(huì)由于兩部分的收縮量不同而發(fā)生彎曲。在上圖所示模型中，限制垂直軸的沒(méi)有加剛性塊的面的方向位移，加上對(duì)應(yīng)于周期性邊界條件的四點(diǎn)簡(jiǎn)支邊界條件，在結(jié)構(gòu)分析模式下，設(shè)定模型初始溫度為120176。 （318）與式33的有限元結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)兩種解法結(jié)果相差較大，主要是因?yàn)樵谇罄碚摻鈺r(shí)對(duì)模型做了過(guò)多的簡(jiǎn)化，與實(shí)際情況差別較大。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出該模型的位移云圖如下： x方向位移云圖 y方向位移云圖 z方向位移云圖從圖中可以看出，由于MPC條件的約束，模型在三個(gè)方向上邊界上的位移都是均勻分布的。 不同纖維排布模型的熱膨脹系數(shù)模型四邊形六邊形隨機(jī)1隨機(jī)2隨機(jī)3隨機(jī)4（）（）（）從上表中可以看出，纖維的排布方式對(duì)縱向的熱膨脹系數(shù)影響較小，這是因?yàn)闊o(wú)論對(duì)于哪種排布方式，在縱向上并聯(lián)的基體體積分?jǐn)?shù)都是保持不變的。接著，在基體材料中加入粘彈性，分析基體粘彈性對(duì)正交模型熱膨脹系數(shù)的影響。在模擬非對(duì)稱正交模型的降溫過(guò)程時(shí)，為了便于設(shè)定模型的MPC條件，將模型上下兩個(gè)部分用橫觀各向同性材料來(lái)等效，使得不能對(duì)其賦粘彈性屬性，因?yàn)檎硰椥灾荒苜x在各向同性材料上，所以無(wú)法研究粘彈性對(duì)非對(duì)稱正交模型收縮彎曲過(guò)程的影響。在此，謹(jǐn)向我的導(dǎo)師周儲(chǔ)偉教授表示我最衷心的感謝和深深的敬意！此外，我還要感謝李力、于航、沈輝、石先蓉等師兄師姐的熱心指導(dǎo)和幫助，我在畢設(shè)中遇到一些難以解決的問(wèn)題，經(jīng)常向他們請(qǐng)教，他們都熱心指導(dǎo)我，可以說(shuō)沒(méi)有他們的幫助，我的論文難以按期完成。我能體會(huì)到他們的期望，也不會(huì)辜負(fù)他們。在研究纖維排布方式對(duì)熱性能的影響時(shí)，采用的算例不夠多，尤其是隨機(jī)模型，由于建模的困難，本文用的四個(gè)隨機(jī)模型纖維的疏密程度差別不夠大。 最后利用通用有限元軟件MSC．PATRAN／NASTRAN建立六邊形纖維排布模型，并分析它的熱膨脹系數(shù)，然后與四邊形排列方式的結(jié)果進(jìn)行比較，最后初步研究纖維隨機(jī)排布模型的熱膨脹系數(shù)。 小結(jié) 本章首先建立了六邊形纖維排布模型的RVE，計(jì)算其各個(gè)方向的熱膨脹性能，并與四邊形排布方式的結(jié)果進(jìn)行比較。改變模型中纖維的體積分?jǐn)?shù)可以求出熱膨脹系數(shù)隨纖維體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系。 小結(jié) 本章以的正交鋪設(shè)的層合板為對(duì)象，首先利用通用有限元軟件MSC．PATRAN／NASTRAN建立對(duì)稱的正交RVE模型，對(duì)其進(jìn)行熱分析求得了不同體積分?jǐn)?shù)下的熱膨脹系數(shù)。C的均勻穩(wěn)定場(chǎng)。從收縮量不同的角度看，整個(gè)模型可能會(huì)發(fā)生兩個(gè)方向的彎曲，但是實(shí)際上，當(dāng)模型的一個(gè)方向發(fā)生彎曲之后，另一個(gè)方向的彎曲剛度會(huì)變的很大，從而不會(huì)在另一個(gè)方向發(fā)生彎曲。 正交模型和單向模型的比較從上圖可以發(fā)現(xiàn)，正交模型在厚度方向的熱膨脹系數(shù)比單向纖維模型橫向的熱膨脹系數(shù)大很多，這是由于正交模型的纖維在兩個(gè)方向?qū)w的收縮進(jìn)行限制，使得整個(gè)模型在沿厚度方向的熱膨脹系數(shù)大于單向纖維模型。垂直于厚度方向的兩個(gè)表面在MPC條件的限制下仍然保持平面且平行。為了便于建模，本章只考慮纖維方向是的正交鋪設(shè)的層合板。 小結(jié) 本章以最基本的單向纖維模型為對(duì)象，根據(jù)復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)的基本方程對(duì)其軸向以及橫向的熱膨脹系數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)；并利用通用有限元軟件MSC．PATRAN／NASTRAN建立RVE模型，對(duì)其進(jìn)行熱分析求得了不同體積分?jǐn)?shù)下的熱膨脹系數(shù)及失配應(yīng)力。由于蠕變和應(yīng)力松弛的存在，模型的熱膨脹系數(shù)相應(yīng)的會(huì)受到影響。從實(shí)際的胞元看基體應(yīng)該是一部分和纖維串聯(lián)另一部分和纖維并聯(lián)（），而串聯(lián)部分和并聯(lián)部分基體的體積分?jǐn)?shù)和的選取決定著該模型與實(shí)際情況的接近程度。而從各組分觀察：纖維中產(chǎn)生壓應(yīng)力，而基體中產(chǎn)生拉應(yīng)力。C的均勻溫度場(chǎng)，在RV