三维编织复合材料弹性性能数值预测及细观应力分析

      
     基于考虑纤维束面接触的细观结构模型，引入周期性位移边界条件，采用细观有限元方法建立了材料的弹性性能预报模型。模型数值结果与试件实测数据吻合较好，证明了该模型的合理有效性。经详细分析单胞在典型工况载荷作用下的细观应力分布及变形，表明模型体现了周期性相邻单胞表面力和位移的连续性，能获得单胞更为合理的细观应力应变场。

     三维编织复合材料作为一种新型轻质高效结构材料，其刚度、强度等基本力学性能分析与预报是该材料用于结构设计的重要前提。但由于材料增强体为三维空间网状连续纤维结构，其细观结构极为复杂，直接建立材料力学性能预报模型困难很大。近年来，许多学者通常基于周期性单胞研究材料的基本力学行为。

      随着现代计算机技术和有限元理论的飞速发展，有限元方法在复合材料细观力学研究领域得到了日益广泛的应用，并已将其用于三维编织复合材料的力学建模分析，逐步建立了一批基于代表单胞的有限元分析模型。Lei等‘21将纤维束和基体分别处理为梁元和杆元，所建模型因过分简化难以反映组分材料的受力状态：Chen等和庞宝君等所建有限元刚度预报模型，因采用多相介质单元降低了建模工作量：刘振国等提出了“米”字型实体单胞有限元模型，但该模型过于简单，无法体现内部纤维束的交织关系和空间构型：Sun等基于均匀化理论，采用非协调多变量有限元对比了对模量预
测的影响；杨振宇等[盯1所建体胞模型将纤维束截面假设为六边形，较好地体现了内部纤维束的接触特征，但建立该体胞几何模型时，忽略了表面区域细观结构的影响，因而很难全面建立工艺参数与材料宏细观结构参数的关系。目前，基于周期性胞元的有限元模型，其单胞细观结构模型与材料实际细观结构有所差异，还有待于进一步完善。文献采用单胞表面变形后“平面保持平面假设”，限制了周期性单胞的相应变形，难以保证周期性相邻单胞边界处力的连续性，这将直接影响单胞的细观应力应变分布和力学性能分析。因此，有必要建立更为合理的细观单胞有限元模型。

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