本科毕业设计---复合材料热变形的数值模拟.doc

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编号

南京航空航天大学

毕业设计

题目

复合材料热变形的数值模拟

学生姓名

潘清

学号

010610432

学院

航空宇航学院

专业

飞行器设计与工程

班级

0106104

指导教师

周储伟教授

二〇一〇年六月

南京航空航天大学

本科毕业设计（论文）诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）（题目：

复合材料热变形的数值模拟）是在导师的指导下本人独立完成的。

尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名：

年月日

（学号）：

毕业设计（论文）报告纸

复合材料热变形的数值模拟

摘要

本文采用细观有限元模型计算了纤维增强复合材料的热膨胀系数以及细观失配应力，并研究了基体粘弹性对复合材料热膨胀和热失配应力的影响。

首先用Msc.PATRAN／NASTRAN软件建立了单向纤维的细观单胞模型，计算出单向纤维复合材料在不同纤维体积分数时的热膨胀系数和热失配应力，并与理论结果进行了比较，在此基础上对理论模型进行了改进。

随后在模型中引入粘弹性，研究了基体粘弹性对单向纤维模型热膨胀系数的影响。

在此基础上计算了对称正交复合材料的热膨胀系数并模拟了非对称正交模型的降温过程。

最后建立了纤维非均匀排布的细观有限元模型，初步研究了纤维排布方式对复合材料热胀性能的影响。

关键词：

复合材料，微、细观力学，RVE模型，周期性边界条件，热膨胀系数，粘弹性

Numericalsimulationofthermaldeformationofcompositematerials

Abstract

Mesofiniteelementmodelswereemployedforanalysisofthermalexpansioncoefficientandmeso-scalemismatchstressoffiber-reinforcedcomposites.Theeffectsofmatrixviscoelasticityonthermalexpansionandmeso-scalethermalmismatchstressincompositeswerealsoevaluatedinthisthesis.Firstly,ameso-scalecellmodelofunindirectionalfibercompositewasestablishedandbaseduponitthethermalexpansioncoefficientandthermalmismatchstresswithvariousfibervolumefractionwerecalculatedviaMsc.Patran/Nastranpackage.Theresultswereusedtoimprovethetheoreticalmodel.Secondly,theviscoelasticitywasintroducedinresinmatrixmaterialanditseffectontheoverallthermalexpansionofunidirectionalfibercompositeswereinvestigated.thirdly,thethermalexpansioncoefficientofsymmetricorthogonalcompositewascalculatedandthecoolingprocessofnon-symmetricorthogonalcompositewassimulated.Finally,throughmodelingunitcellswithrandomfiberarrangement,theeffectsofthefiberarrangementonthethermalpropertiesofcompositeswerestudied.

KeyWords：

compositematerials;microandmesomechanics;RVEmodel;periodicalboundarycondition;thermalexpansioncoefficient；viscoelastic

目录

摘要.........................................................................ⅰ

Abstract......................................................................ⅱ

第一章绪论....................................................................1

1.1引言....................................................................1

1.2复合材料热属性研究现状..................................................2

第二章单向纤维模型的热膨胀系数以及失配应力....................................3

2.1引言....................................................................3

2.2单向纤维复合材料热性能的理论模型........................................3

2.2.1单向纤维复合材料理论模型的建立....................................3

2.2.2理论模型热膨胀系数的计算..........................................4

2.2.3单向纤维复合材料热失配应力的预测..................................6

2.3代表性体积单元的统一周期性边界条件......................................7

2.4单向纤维复合材料细观有限元模型以及热膨胀系数和热失配应力计算...........9

2.5理论和数值方法结果的比较............................................10

2.6垂直纤维方向热膨胀系数理论模型的修正...................................12

2.7基体粘弹性对热性能的影响..............................................14

2.8小结...................................................................16

第三章正交铺层复合材料的热性能分析...........................................18

3.1引言...................................................................18

3.2对称正交复合材料的热膨胀系数...........................................18

3.3基体粘弹性对正交铺层复合材料热性能的影响...............................20

3.4非对称正交铺层复合材料降温收缩过程的模拟...............................22

3.5非对称正交铺层复合材料降温收缩弯曲的理论解.............................25

3.6小结...................................................................27

第四章不同纤维排布方式复合材料热性能研究.....................................28

4.1引言...................................................................28

4.2六边形纤维排布方式模型的热膨胀性能.....................................28

4.3纤维随机排列模型的热膨胀性能...........................................30

4.4小结...................................................................32

第五章总结与展望.............................................................33

5.1总结...................................................................33

5.2工作展望...............................................................34

参考文献......................................................................35

致谢.......................................................................36

iv

毕业设计（论文）报告纸

第一章绪论

1.1引言

复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。

一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，并且有些性能是原来组分材料所没有的，复合材料改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。

根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料可以分为颗粒复合材料、纤维增强复合材料、层合复合材料三大类。

本文主要研究纤维增强复合材料的热属性。

与复合材料的刚度相比，复合材料成形过程中的变形更受关注，而复合材料成形时变形量的大小又受到热失配应力和热膨胀系数的影响，因此纤维和基体对成形后复合材料的热失配应力和热膨胀系数的影响成为研究的重点。

纤维增强复合材料的弹性性能和热膨胀系数及热失配应力等取决于织物的细观结构，采用细观力学的分析方法，预测纤维增强复合材料的细观结构形式对其宏观性能的影响，是实现其性能优化的重要基础。

热膨胀是所有材料的最基本特性之一，作为实现航空航