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1、 西北工业大学攻读硕士学位论文 三维机织陶瓷基复合材料力学行为研究 研 究 生：常 岩 军 指导教师：矫桂琼 教授学 科：固 体 力 学 系 别：力学与土木建筑学院 二零零六年三月 摘 要 摘摘 要要 倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料在改进层间断裂韧性，提高损伤容限等方面具有巨大潜力，材料具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、抗氧化和低密度等特点，在高推重比航空发动机，火箭发动机等领域具有广阔的应用前景。三维机织物有较强的仿形能力，能够一次成型具有异形截面的纺织预成型件，这预示着倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料将有可能在更多的领域得到应用。对于三维机织陶瓷基复合材料尤其是倾斜内锁型三维机织陶瓷基
2、复合材料力学行为的认识还只是处于初级阶段，还需要一个逐步认识逐步了解的过程。三维编织复合材料的力学性的深入研究是材料设计和工艺改进的基础，是材料走向工程应用的前提条件。基于这种认识，本文对三维编织复合材料的力学行为进行了研究。本文的研究工作主要包括：1 利用平均化方法提出了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料弹性性能分析的三维细观力学模型，对材料的弹性性能进行了预测。针对材料的机织结构分别建立了两种几何模型，模型考虑了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料经向纤维束的弯曲和纬向纤维束的平直，纤维束的横截面形状和相邻纤维束之间的空洞以及工艺处理对弹性性能的影响。基于层合板理论和两种单胞应变状态假设分别对材
3、料的九个弹性常数进行了推导计算，结果表明两种方法理论的预测值非常接近。计算结果与实验值比较吻合，表明所提出的细观力学模型是合理的，可以为编织陶瓷基复合材料的优化设计提供有价值的参考。由于纤维束直杆模型的纤维束波动形式更为接近材料的实际情形，因此纤维束直杆模型预测结果比纤维束曲杆模型更为准确。2利用所提出的弹性性能预报模型分析了材料织物细观结构参数对弹性性能的影响。研究了织物几何结构参数与孔隙率、纤维体积含量、曲屈率的关系，给出了材料弹性性能随纤维体积含量、曲屈率以及孔隙率等参量的变化关系。纤维体积含量与编织几何形状有关，随着纤维体积含量的增大，材料的纵向拉伸弹性模量非线性减小，这是因为倾斜内锁
4、型三维机织复合材料独特的机织结构，纤 I摘 要 维体积含量增大的同时加剧了纤维束的弯曲程度，减小了经向纤维束在纵向上的分量，因此材料的纵向拉伸模量减小。通过预测结果与实验值的比较发现工艺处理对陶瓷基复合材料弹性性能影响不大，而纤维束内部孔隙对纤维增强陶瓷基复合材料弹性性能影响是不可忽视的。通过分析认为材料的弹性性能主要受织物细观纺织结构和纤维束复合材料混合律的影响，可以调整织物的细观结构参数以满足不同设计要求。3通过倾斜内锁型三维机织 C/SiC 复合材料材料的力学性能的试验，研究了材料的基本力学性能和破坏模式。可以发现材料在纵向和横向拉伸载荷作用下表现出明显的非线性力学行为，应力应变曲线在高
5、应力状态下出现上扬现象，初步认为这是材料内部纤维束损伤演化和机织结构演化共同作用的结果。材料在纵向和横向压缩载荷下，当应力低于强度的 90%时应力应变曲线表现为线性，当应力超过强度的 90%时材料的应变迅速增大。纵向和横向压缩的强度和线性段的模量有所不同，纵向压缩强度低于横向压缩强度，而纵向压缩模量高于横向压缩模量。纵向压缩破坏角度即为纵向纤维束平直段的倾角，而横向压缩与纵向纤维束在空间的排列有关。4基于试验结果研究了材料的拉伸和剪切损伤演化过程，给出了材料在单一载荷下的应力应变关系。通过分析发现，材料的纵向拉伸和横向拉伸具有非常相似的损伤演化过程。材料的损伤速度随着拉伸应力的增大而增大，损伤
6、为双线性增加，呈现先快后慢的趋势。应力应变的预测曲线与试验结果比较一致。通过对材料两个剪切方向面内剪切试验的损伤分析表明，两个方向剪切的破坏机理有所不同，损伤随应变的变化也有一定的不同，但是两者应力应变的预测曲线比较相似，强度也比较接近。关键词：关键词：倾斜内锁型三维机织，陶瓷基复合材料，孔洞，损伤演化，单胞模型，织物细观结构参数，弹性性能 II摘 要 Abstract Angle-interlock woven ceramic composites are a promising way to improve the interlaminar fracture toughness and d
7、amage tolerance,and they have excellent characteristics as a structural material for use at high temperatures for high thrust-weight ratio aerial engine and rocket engine because of its heat stability,superior strength and modulus,oxidation resistant,ablation resistant at elevated temperatures and l
8、ow density.Three-dimensional(3D)woven composites have powerful abilities of forming,which make these materials can be applied to wider fields.It is a long way to understand mechanical properties of three dimensional woven ceramic composite especially angle-interlock woven continuous carbon fiber rei
9、nforced silicon carbide composites(C/SiC).It is necessary to material design and application that an overall profound understand of mechanical properties of 3D woven C/SiC composites.Thus,the investigation on mechanical behaviors of 3D angle-interlock woven C/SiC composite was carried out.The follow
10、ing works are included in this thesis.1.Using volume averaging method,a micromechanical model for elastic behavior analysis of 3D angle-interlock woven ceramic composites is proposed in this paper.Two geometric models were introduced,and these two models take into account the actual fabric structure
11、 by considering the fibers undulation and continuity in space,the cavities between adjacent yarns and the actual cross-section geometry of the yarn.The effects of manufacturing ceramic composite to the composite elastic properties have been investigated.Based on laminate theory,the nine elastic cons
12、tants of 3D angle-interlock woven ceramic composites are deduced for two assumptions of strain condition.Good agreements between theoretical predictions and experimental results demonstrate that the feasibility of the proposed model in analyzing the elastic properties of 3D woven composites.This mod
13、el provides valuable references for designing and optimizing composites.The straight bundle bar elastic properties prediction model has more accurate predictions than the crimp bundle bar model.2.The effects of fabric micro-structural parameters on elastic properties were analyzed using the elastic
14、properties prediction model proposed by author.Parametric studies are performed to examine the effects of two important micro-structural parameters on fiber volume fraction,crimp fraction and void volume fraction,and variations of elastic properties with fiber volume fraction,crimp fraction and void
15、 volume fraction are presented.As fiber volume fraction increases,the longitudinal elastic modulus predicted decreases nonlinearly.The reason of these variable trends is that as fiber volume fraction increases the magnitude of local fiber angle is enlarged and the elastic moduli mainly depend on the
16、 angle of longitudinal composite bar,the larger angle of warp leads to small elastic longitudinal property.The effects of manufacture III摘 要 processes on ceramic composite on elastic properties are unimportant,and voids of intran-yarn have obvious effect on elastic properties.The analysis demonstrat
17、e fabric structure and the mixture rule of yarn composite are main factors to elastic properties,and different fabric structure parameters can cater to different applications.3.Experiments of 3D angle-interlock woven ceramic composites were preformed,and the characters of stress-strain curves and fa
18、ilure were analyzed.Longitudinal and transverse tensile had similar mechanical properties,and both represented nonlinear stress-strain behavior,and the tangent modulus appeared obvious increase when the applied tensile stress was higher.The reasons of this mechanical behavior probably are the damage
19、 of bundle and fabric structure together.The stress-strain curves of longitudinal and transverse compression expressed almost straight lines when the applied stresses were low to collapsing loads about 90 percent of strengths.When the applied stresses above collapsing loads the stress-strain curves
20、represented obvious destabilizing mechanical behavior accompany by residual strain and great drop of tangent modulus.However,the strength and modulus along different compressive direction have discrepancies,and longitudinal strength is lower than transverse strength,and the modulus of longitude is h
21、igher than that of transverse.The fracture angle of longitudinal compression approach the maximum angle of warp,and transverse fracture angle is related to arrange of wefts.4.Based on the experimental results,the damage developments of tensile and in-plane shear were studied,and the predictive stres
22、s-strain relations of these two type loads were given.The study illustrate that the damage processes of longitudinal tensile is very similar to that of transverse tensile.As applied tensile stresses increase,damage accumulate with polygonal line,and damage increase rapidly firstly then slowly.The pr
23、edictive stress-strain curves of longitudinal and transverse tensile are almost consistent.The damage mechanisms along different shear plane are discrepancy,and the variation trends of corresponding damage factor are different as applied shear strains increase.However,the predictive stress-strain cu
24、rves of in-plane shear along two directions are similar.Key words:3D angle-interlock woven;ceramic composite;voids;damage development;unit model;fabric micro-structural parameters;elastic properties IV目 录 目目 录录 摘摘 要要.I Abstract.III 目目 录录.V 第一章第一章 绪绪 论论.1 第一节 选题意义及背景.1 第二节 国内外研究现状.6 第三节 本文研究的主要内容.10
25、第二章第二章 三维机织陶瓷基复合材料弹性性能预报模型三维机织陶瓷基复合材料弹性性能预报模型.11 第一节 引言.11 第二节 材料的几何模型.11 第三节 材料的弹性常数.15 第四节 本章小结.18 第三章第三章 织物细观结构参数对材料弹性常数的影响织物细观结构参数对材料弹性常数的影响.19 第一节 引言.19 第二节 织物细观结构参数对弹性常数的影响.19 第三节 孔洞对弹性常数的影响.26 第四节 本章小结.31 第四章第四章 三维机织三维机织C/SiC复合材料力学性能研究复合材料力学性能研究.33 第一节 引言.33 第二节 三维机织C/SiC复合材料拉伸特性.34 第三节 三维机织C
26、/SiC复合材料压缩特性.41 第四节 三维机织C/SiC复合材料面内剪切特性.45 第五节 三维机织C/SiC复合材料层间剪切特性.54 第六节 本章小结.57 第五章第五章 总结与展望总结与展望.59 第一节 本研究的工作总结.59 第二节 今后工作的展望.60.63 参考文献参考文献.71 攻读学位期间论文发表情况攻读学位期间论文发表情况致致 谢谢.73 V第一章 绪论 1第一章第一章 绪绪 论论 第一节 选题意义及背景 复合材料是随现代科学技术发展涌现出的具有极大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料，通过一定的工艺手段复合而成。由于复合材料中各个组分材料在性能上的协同作用，因
27、此可以得到单一材料不具有的优越性能，而且还能根据使用和设计要求对复合材料进行设计和制造，充分发挥材料的性能，提高工程结构的使用效能。复合材料被广泛地应用于航空、航天、造船、汽车、桥梁、化工设备、医药以及运动器材等各个部门1。纤维增强复合材料具有高强度、低比重等优良的力学性能。尤其是层合板复合材料，长时期以来应用于基本的承力结构。然而，相对于面内性能，层合板复合材料在厚度方向的力学性能较差。此外，还有一个严重不足分层。在层合板复合材料层与层之间加入高韧性树脂膜可以抑止层间分层，提高强度。但是，由于树脂膜的弹性模量低，必然会降低复合材料总体的弹性模量2。纺织物增强和穿透厚度方向增强是解决层合板复合
28、材料弊端的新思路。纺织复合材料按照预成型体的加工方法可以分为编织（Braiding）、机织（Weaving）、针织（Knitting）和缝纫（Stitching）等3。编织技术分为二维编织和三维编织。二维编织包括平面编织、曲面编织、和圆形编织，三维编织包括 2 步编织、4 步编织和实体编织4。机织技术包括二维机织和三维机织，其中三维机织包含倾斜内锁型机织(斜角交错机织)和正交机织。纺织复合材料由于其具有一系列无法替代的优点，被称作第三代纤维增强复合材料，广泛地应用于航空航天等高科技领域。它主要指一类由高级纤维的二维或三维纺织物增强的结构复合材料，与单向增强的复合材料层板相比，纺织复合材料层板在
29、改进层间层内强度、损伤容限和热应力失配等方面具有巨大的潜力，这是由于纺织复合材料的细观可设计性，为宏观力学性能优化提供了较为广阔的余地5。纤维增强陶瓷基复合材料由单向板向多向铺层板、二维纺织、三维纺织发展。多向层合板相对于单向板，克服了面内非纤维方向性能较低的弱点，但是其层间性能仍然非常低。二维编织 3 种常用的织物结构是:平纹编织、斜纹编织和缎纹编织。二维编织使复合材料的层间强度有所增加，而且实用性强，已在飞机发动机上有应用。三维机织复合材料是利用机织加工方法将多个系统的纱线连接为空间网状结构，然后在一定条件下与基体复合而得到的一种高性能复合材料。三维机西北工业大学硕士学位论文 织增强结构的
30、特点是：经向和纬向的纱束在平面内呈 900 交织或排列，以提供复合材料的面内性能，而贯穿于结构厚度方向上的接结纱束则提供了材料的稳定性6。由于厚度方向上增强纤维的存在，增加了从材料的层间剪切强度7,8减少了分层现象，并提高了其抗冲击性能7,9以及弯曲疲劳性能9。三维机织物有较强的仿形能力，能够一次成型具有异形截面的纺织预成型件，如各种正交实心板10、变厚实心板10、中孔结构箱式梁11,12桁架式结构10,13、工字梁14,15等。有研究指出三维机织复合材料具有较高的断裂功和较低的缺口敏感性16，同时有研究表明在三维机织物面内引入偏轴方向的增强纱线是可能的17,18，这预示着三维机织物将有可能在
31、更多的领域得到应用。倾斜内锁型三维机织也俗称为 2.5 维编织，它是对传统二维织物机织技术的改进。把纤维束与厚度方向成一定角度进行交织，使经向纤维束可以穿过多层纬纱，从而在厚度方向上纤维束有更高度的整体化。2.5 维编织结合二维编织工艺和三维编织层间性能两方面的优点，加强了层与层之间的连接，淡化了层的概念。2.5 维编织复合材料的增强相是 2.5 织物，其特性以相邻纤维束的间距，纤维束尺寸，每个方向上纤维束的百分含量，纤维束的填充效率和交织线型的复杂程度来表征。由于经纱接结方式和穿过纬纱层数的差异，倾斜内锁型三维机织的机织结构有很多种变化形式。下面图 1.1 是几种典型的倾斜内锁型三维机织机织
32、结构，(a)正交分层接结 (b)角联分层接结 (c)角联贯穿接结 (d)角联分层接结 2第一章 绪论 3 (f)正交贯穿接结 (e)正交分层接结 图 1.1 典型的倾斜内锁型三维机织机织结构 三维机织技术由于增加了复合材料厚度方向的纤维，因而大大提高了复合材料的动静态力学特性，受到了广泛的关注并得到了广泛的应用。美国的“旅行者”（Voyager）号飞机曾经创造了不补充加油而环球飞行一周的记录，其很多关键部件都采用了编织结构复合材料；美国比奇公司的“星舟”（Starship）1 号公务机的关键部位也采用了编织复合材料构件；用三向编织法生产的自行车前叉，成功地解决了复合材料自行车各管接头处的连接问
33、题。美国航空航天局（NASA）于 1988 年制定的先进复合材料技术（Advanced Composites Technology）计划，目的是研制其成本可以与目前的金属飞机结构相匹敌的民用运输机复合材料主结构19。其中包括 Boeing 和 Lockheed-Martin 对机身框、舱 窗 间 加 强 框 和 几 个 地 板 龙 骨 结 构 件 的 纺 织 复 合 材 料 的 评 定；Northrop-Grumman 对用三维编织复合材料制造加筋蒙皮的编织方案的评定；McDonell Douglas 对用于机翼盒段的针织、斜纹编织和缝合纺织织物的评定。ACT 计划已经取得了一些成就。据报道，
34、美国的 B2 战略轰炸机就是采用了非圆形的特殊碳纤维和玻璃纤维混杂编织的织物作为增强材料，这种材料既具有良好的气动特性，又能尽量减少雷达波的反射面；三维编织复合材料还用来制造大型飞机的窗体，这样既减少了工艺过程、降低了成本，又减轻了飞机的重量3。三维机织碳纤维增韧碳化硅基复合材料(C/SiC)是在三维机织碳纤维预成型体的基础上，再进行化学气相渗透工艺处理而制成的。由于三维机织的机织技术在厚度方向上的改进，三维机织织物在厚度方向上的纤维束有更高度的整体化4。作为三维机织的一种典型机织方法，倾斜内锁型(angle-interlock)三维机织织物中经向纤维束可以穿过不止一层的纬纱，交织形式具有许多
35、种变化。因此以倾斜内锁型三维机织预成型体制造的倾斜内锁型三维机织碳纤维增韧碳化硅基复合材料(C/SiC)在具有高比强，高比模、耐高温、抗氧化、耐磨损以及热稳定性较好等突西北工业大学硕士学位论文 出特点的同时，材料还具有更好的力学整体性能，尤其是改善了厚度方向的力学性能。碳纤维增强（韧）碳化硅基复合材料（C/SiC）是适应航空航天科技的发展应运而生的一种新型耐高温复合材料。在宇航领域，卫星姿轨控发动机、宇宙飞船、宇航探测器推进系统需要轻质、抗氧化热结构材料，以简化推力室结构、减轻重量、提高可靠性和工作效率；太空穿梭机热端部件（鼻锥、机翼前缘、发动机喷管等）需要使用轻质、抗氧化热结构材料，从而实现
36、可重复使用的目的。这些用途中，材料将经受超过 1500的氧化性燃气冲刷或驻点气动加热冲刷，以及热震冲击和复杂机械载荷作用，金属材料或 C/C 材料难满足实际使用的综合要求，需要采用抗氧化性能优异、热机械性能突出的纤维增韧碳化硅基复合材料（C/SiC，SiC/SiC）20。在当代航天领域中，液体火箭发动机作为当前导弹武器及宇航飞行器的动力装置，其工作时发动机喷管的内表面温度高达 1450190021,22；航天飞机再入大气时，其头端高达 170023。因此要求在现代航天工程所使用的热防护材料，应具有密度低、耐高温能力强和力学性能优良等特性，碳纤维增韧碳化硅基复合材料，克服了碳化硅陶瓷的脆性缺点，
37、可获得较高的断裂韧性、更高的强度及更加优良的抗热震性能24-26。现代航空科技的发展，对纤维增韧陶瓷基复合材料的需求也非常迫切。在先进军用飞机发展计划中，如何大幅度提高发动机推重比是亟待解决的重大技术难题27,28。目前，国内外正在研究推重比大于 10 的高性能发动机，有关研究指出，为了将发动机的推重比提高到 10 以上，主要途径是提高发动机涡轮前进口温度(将达到 1650以上)和减轻结构重量29。工作温度的提高也将进一步提高燃料的热效率，从而节约能源。到目前为止，高温合金和金属间化合物难以满足这样高的温度要求，而纤维增韧碳化硅基复合材料不仅能够满足发动机的温度要求，另外，由于纤维增韧碳化硅基
38、复合材料的密度仅为高温合金的 1/3-1/4，在减轻结构的重量和降低油耗方面也有很大优势。为此，材料工作者把目光转向 FRCMC，发现用抗氧化性能优异的 SiC 取代 C 作为基体的 C/SiC 陶瓷基复合材料，是有潜力实现将热防护、结构承载以及防氧化结合于一体的候选材料。一方面，它克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点，提高了材料的断裂韧性;另一方面，它保持了陶瓷基体耐高温、低膨胀、低密度、热稳定性好的优点。因此，近十几年来，C/SiC 复合材料的研究有较快发展，用其材料制成的部件己在某些发动机(M88)进行了成功的应用考核。我国推重比为 10 的发动机对 CMC 也提出了明确的应用要求，“九五”
39、期间主要发展连续纤维增韧 SiC 基复合材料，并已经取得突破性进展。4第一章 绪论 5近 20 年来，世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷基复合材料的研究与开发一直十分重视，相继制定了各自的发展计划，并投入了大量的人力、物力和财力，对这一新型材料寄予厚望。其应用目标是接替密度为 8.03-8.86g/cm3的镍基或单晶镍基或单晶镍合金作为发动机的燃烧室、火焰稳定器、内锥体、尾喷管、涡轮外环以及高压涡轮、低压涡轮等部件。例如美国 NASA 制定的先进高温热机材料计划(HITEMP),DOE/NASA 的先进涡轮技术应用计划(ATTAP),美国国家宇航计划(HASP)、美国国防部关键技术计划
40、以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象，其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到 1650或更高，从而提高发动机涡轮进口温度，达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的，满足军事和民用热机的需要30-32。欧洲现己制造出大型 C/SiC 火箭喷管。美国 NASA 马歇尔空间飞行中心和刘易斯研究中心等单位联合研制的液体火箭发动机将应用 C/SiC 材料，所有部件都采用近无余量加工技术。美国最新设计的 C/SiC 材料制造的燃气涡轮发动机燃烧室，在侵蚀温度达 1593以上、梯度温度为 593以上时，材料仍能保持热力学完整性，没有发生任何破坏。C/SiC 在 X-38 地
41、面返回舱上的主要应用33：翼缘(由MAN Technologie 提供)，鼻锥帽(由 DLR(Germany)提供，耐温 2900-3200，即约1593-1760)，鼻锥裙部(由 DASA(Germany)提供)及下鄂板(由 MAN Technologie提供，耐温 2900-3200)，机体副翼(由 MAN Technologie 提供)。C/SiC 复合材料是一种优异的耐高温、低密度陶瓷基热结构复合材料。它比 C/c有着更好的抗氧化性，比 SiC/SiC 有更好的高温性能，不仅在高推重比航空发动机，卫星姿控发动机、超高声速冲压发动机、空天往返防热系统、巡航导弹发动机、液体和固体火箭发动机
42、等武器装备领域具有广阔的推广应用前景，在涡轮燃气电站和核能反应堆等民用领域的市场潜力更大34-38。总之，三维编织复合材料作为一种新型的材料具有很多传统复合材料所不具有的优点，陶瓷基复合材料（CMC）特别是 C/SiC 复合材料是当今世界上航空航天高温结构材料的研究重点。对于其力学性能的认识还只是处于初级阶段，还需要一个逐步认识逐步了解的过程。只有对三维编织复合材料的力学性能进行更深入的研究，才能更好地指导材料的设计和制造。决定三维编织陶瓷基复合材料性能的因素有很多，最主要的是组分材料的性能、编织结构以及加工制造工艺。从材料设计的思想出发来考虑，对于编织复合材料的认识主要是确定组分材料的性能、
43、编织结构以及加工制造工艺对最终材料性能的影响。只有这样才能减少材料设计的盲目性，缩短材料的设计周期，从根本上实现材料性能的优化设计。由于材料在服役环境中往往处于某种应力场之中，西北工业大学硕士学位论文 因此研究材料在不同载荷作用下的力学响应是材料走向工程应用的基本前提。此外，纤维预制体具有 2D、2.5D 和 3D 等多种结构，在不同的预制体结构中纤维所处的状态(弯曲度和角度)不同，因而纤维和界面上的应力分布也不同，但目前纤维复合材料的强韧化机理分析基本上建立在单向预制体结构上。因此，研究不同预制体结构对强韧化机理的影响对陶瓷基复合材料强韧化机理的发展和完善具有重要意义。本文的研究就是基于以上
44、的背景进行的。第二节 国内外研究现状 三维机织复合材料是一种新型的材料，对于其力学性能的研究还处于初步阶段。根据其机织结构的特性，研究者们提出了各种各样的力学模型，但由于编织结构的复杂性，目前还没有全面的、统一的分析模型。而且目前的分析模型还多限于研究三维编织树脂基复合材料的弹性有效性能，对于三维编织树脂基复合材料的强度特性以及三维编织陶瓷基复合材料的弹性和强度特性很少有人涉猎。国内外研究者通过试验研究了三维机织树脂基复合材料的力学性能。Brandt等人39的研究结果表明，三维机织物中,倾斜内锁型(interlock)三维机织物可提高碳/环氧复合材料层间剪切强度(interlaminar sh
45、ear strength,ILS)；而倾斜内锁型三维机织物中又以 3-X 型，即厚度上的倾斜内锁型的影响最为显著。国内东华大学的易洪雷和丁辛40在多层机织物的结构参数对拉伸和剪切性能的影响方面也进行了计算和验证，但未见对三维机织玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料力学性能的详细报道。李文晓41 研究了倾斜内锁型玻璃纤维三维机织物增强不饱和聚酯复合材料的拉伸、压缩、弯曲和层间剪切等基本力学性能。董娟42通过对不同结构三维机织玻璃/环氧复合材料的拉伸、压缩、层间剪切和冲击后压缩试验，发现沿厚度方向的增强结构形式对复合材料的力学性能有明显影响，三维机织复合材料对改善复合材料的损伤容限和能量吸收有很大潜力。
46、在研究三维机织复合材料工程弹性常数的预测模型方面已有数个理论模型，如Whitney 等的纤维倾斜模型(fiber inclination model)43，Byun 等的平均刚度模型(averaging stiffness model)44，Cox 等的双组元模型(binary model)45,46和取向平均模型(orientation averaging model)47，易洪雷等的单向板组合模型48，Ishikawa等的解析模型49，Tan 等的结构单元模型(unit cell model)和层板模型(laminate model)8以及杨连贺的交叉等效曲面板模型50等。从力学分析及计算
47、方法上可分为层板理论模型、取向平均模型和有限元分析模型三类。(1)层板理论模型 6第一章 绪论 7层板理论模型是应用层板理论来分析三维机织复合材料的线弹性性能，该模型假设机织物结构单元是多个单向铺层板的结合，且每块单向板具有与复合材料相同的纤维体积分数，然后根据单层板间的应力/应变分布，将各层板的拉伸刚度矩阵集成为总体刚度矩阵。1986 年，Yang 等基于层板理论提出纤维倾斜模型用于分析纺织复合材料的力学性能51。该模型最初被用来预测三维编织复合材料的有效弹性性质，后来Whitney 和 Chou 将此模型用于分析三维机织复合材料的面内性能52，他们忽略纱线交织点处纤维的屈曲，也不考虑结构单
48、元中心处层片的交叉效应，给出了面内工程弹性常数的计算式 111212aa=1111TaE=2221TaE=66121TaG=,，(1-1)(2,1,)=jiija式中，为复合材料的平均柔度系数，T为复合材料层板的有效厚度。(2)取向平均模型 利用层板理论预测复合材料弹性性能是复合材料力学研究中的一种经典方法，然而将其应用到三维机织复合材料中来还仅限于分析材料的面内弹性性能。1990 年，Byun 和 Chou 以三维斜交机织复合材料为研究对象，建立了基于取向平均化与张量转换的平均刚度模型44。该模型考虑了织物中纱线截面的变形及纱线的屈曲，同时还考虑了纯树脂区的影响。按三维机织复合材料中各组分的
49、纤维体积分数集成为复合材料的总体刚度矩阵，即有 mmffcVCVCVCC+=式中，C表示刚度矩阵，V表示纤维体积分数，上、下标mf,分别表示经纱，纬纱，树脂基体，上标c代表复合材料。对求逆，得柔度矩阵，于是三维机织复合材料在三个正交方向上的弹性常数为：cCcScSE1111=cSE2221=cSE3331=，（3）有限元分析模型 对三维机织复合材料结构和力学性能的研究，促进了有限元方法在这一领域内的应用，Cox 等建立起的双组元模型45,46便是其中较具有代表性的有限元分析模型之一。该模型将非匀质各向异性的三维机织复合材料分解为纱束元和等效介质元两种组元。在对复合材料几何模型进行离散时，把纱束
50、元离散为两节点杆单西北工业大学硕士学位论文 元，而等效介质元则被离散为匀质和各向同性的块单元。模型中纱线的屈曲度按正态分布产生的随机补偿节点计算获得，两种组元通过在某些节点上施加共同的约束来连接。此外他们在计算纱线交织点处横向刚度时还引入了弹簧单元。另一个较新的有限元分析模型是 Tan 等8建立的。分析中，他们分别采用了椭圆和矩形纱线截面的假设，并认为基体是各向同性，浸渍树脂后的经纱，纬纱及 Z纱关于材料主轴是正交各向异性的。他们还利用 Lagrange 乘子将 6 个独立的应变矢量分别加在相关的结构单元上，以得到三维正交机织复合材料的刚度系数。此外，易洪雷等53把三维机织物的结构单元分解成