粘胶基斜纹碳布增强碳/碳复合材料几何模型与力学性能预测
碳/碳复合材料具有优异的高温力学性能,在航空航天等领域有重要应用.由于碳/碳复合材料细观结构复杂,预制体结构、基体、界面、孔隙等因素都会影响材料的力学性能,再加上碳/碳复合材料制备周期长、成本高,所以开展碳/碳复合材料力学性能研究以及根据建立的细观几何模型对其力学性能进行预测具有重要的理论意义和工程价值.目前,国内外对碳/碳复合材料性能的研究正在兴起,但对碳/碳复合材料力学性能预测的研究还不太成熟.本文以2/2粘胶基斜纹碳布增强碳/碳复合材料为研究对象,开展了细观几何模型的建立及力学性能预测工作,主要包括以下几个方面:1、对粘胶基碳纤维形貌和性能进行分析测试,测定粘胶基碳纤维的截面形状参数、线密度和体密度、拉伸强度和模量;碳纤维单丝截面为腰子形,复丝拉伸断裂特征为脆断,拉伸强度为861MPa,拉伸模量46.044GPa.制备2D碳/碳复合材料,对其形貌和性能进行分析测试,测定2D碳/碳复合材料的纤维体积分数、拉伸强度和模量;纤维束截面形状为双凸透镜,纤维体积分数为53.89%,拉伸强度和拉伸模量分别为142.2MPa和30.340GPa.测定树脂碳基体的弹性模量为25.268GPa.2、使用UG NX8.0建立粘胶基斜纹碳布增强碳/碳复合材料的细观几何模型,考虑经纱纤维束截面的倾斜和旋转情况,推导纤维束端线屈曲路径和中心线屈曲路径的数学函数,计算模型的纤维体积分数为50.04%,与实测数据的误差为-7.14%,模型基本合理.3、以细观几何模型为基础,基于刚度平均法推导斜纹碳布增强碳/碳复合材料整体刚度矩阵的函数,使用Matlab7.1计算材料的工程弹性常数;使用NX NASTRAN 8.0建立简化有限元模型,基于ANSYS 14.0稀疏矩阵求解器计算材料的平均应力和平均应变以及工程弹性常数;将计算结果与实测数据进行对比,模型基本合理.
- 作者：
- 王凯杰
- 学位授予单位：
- 航天动力技术研究院
- 专业名称：
- 复合材料力学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 刘勇琼；廖英强
- 中图分类号：
- TB332
- 关键词：
- 碳/碳复合材料；刚度平均法；力学性能；有限元分析法；斜纹碳布
- Carbon/carbon composites； Stiffness averaging method； Mechanical property； Finite element analysis； Carbon twill