复合材料多尺度有限元理论与应用研究

• 作 者: 李晓拓
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 复合材料 多尺度有限元理论 纤维轨迹 热膨胀系数 有效介质

本文运用不同的多尺度有限元方法研究了先进树脂基复合材料应用中产生的三个典型问题。　　
首先，本文基于有效介质理论和热传导有限元理论建立了一个三维数值模型研究随机分布碳纳米管复合材料热传导机理以提高先进树脂基复合材料中的树脂热导率。通过提高树脂热导率可以有效解决先进树脂面外热导率低的问题。研究结果表明:随着界面热阻的降低，碳纳米管复合材料的热导率增大;体积含量对碳纳米管复合材料热导率的影响取决于界面热阻。当界面热阻大于界面热阻临界点时，碳纳米管复合材料热导率随着碳纳米管体积含量的增大而减小;当界面热阻小于界面热阻临界点时则完全相反，随着碳纳米管体积含量的增大碳纳米管复合材料热导率却减小;随着碳纳米管直径的增大，复合材料热导率增加;当碳纳米管热导率高于1000 W/mK时，碳纳米管热导率对碳纳米管复合材料热导率的影响较小。　　
其次，本文基于非线性加权最小二乘法，以第一主应力大小为权数，建立了一种开孔复合材料层合板纤维轨迹的优化方法，并对单向拉伸载荷下开孔复合材料层合板的纤维轨迹进行了优化设计。经优化，得到了一个局部最优值[-0.28，12.90]。通过有限元模拟，对比分析了优化后的变刚度复合材料、单向复合材料和准各向同性复合材料层合板在单向拉伸载荷下的失效强度因子，结果表明:优化后变刚度复合材料的最大失效强度因子相对于单向复合材料和准各向同性复合材料分别降低了31％-59％和67％-89％。　　
最后，本文基于简化的各向异性热粘弹性有限元理论、Halpin-Tsai方程和三维层合板理论模拟了L型复合材料梁固化变形，并研究了树脂固化收缩率、树脂热膨胀系数和纤维热膨胀系数对L型复合材料梁回弹角的影响。结果表明:树脂固化收缩率、树脂热膨胀系数和纤维热膨胀系数都对L型复合材料梁固化变形产生较大的影响。