三维编织C/SIC复合材料结构动态特性研究

摘要

三维编织C/SiC复合材料是一种新型高级材料，具有一系列优异性能。高温力学性能好、低密度的特性使其成为未来航空航天器领域研究与考察的重点。在目前关于三维编织C/SiC复合材料的研究中，细观结构分析和细观结构力学模型的建立是非常重要的内容。 本文引入“米”字型枝状单胞模型描述四步法三维编织C/SiC复合材料的细观结构。将三维编织C/SiC复合材料看作是组分材料的空间结构物，由有序的细观结构单胞叠合而成。以复合材料梁为研究对象，采用单胞作为离散单元对复合材料进行宏观网格剖分，利用有限元方法分析悬臂梁结构的固有特性。比较有限元计算结果与理论计算值证明采用“米”字型单胞预测三维四向编织C/SiC复合材料结构的动态特性是可行的。 三维编织C/SiC复合材料中含有大量的孔洞，存在于基体中的孔洞对复合材料的动态性能有很大的影响。本文采用一种新方法处理复合材料中的孔洞，进而分析一复合材料梁结构的动态特性。即通过蒙特卡罗方法对复合材料中随机分布的孔洞进行模拟，建立含孔洞“米”字型枝状单胞模型。以此模型为基础对复合材料梁结构进行宏观网格剖分，形成有限元模型后进行模态分析。结果表明：孔洞的存在降低了材料的刚度，从而导致复合材料结构固有频率值减小；考所建立的虑孔洞存在的“米”字型单胞模型可以分析复合材料结构的动态特性。 影响三维编织C/SiC复合材料性能的因素很多，随机分布的孔洞只是其中一种。本文考虑到各种随机因素对三维编织C／SiC复合材料的影响，建立随机参数复合材料梁结构系统模型，研究了基于概率的梁结构动力特性分析方法。以弹性模量和质量密度为随机变量，分析两参数的变异对复合材料结构动态特性的影响。结果表明基于随机因子法的随机参数结构动态特性的分析模型和求解方法是可行的。 本文结合细观结构力学模型和有限元方法，分析了三维编织C/SiC复合材料结构的动态特性，同时建立了随机参数系统模型分析材料物理参数的变异对复合材料结构动态特性的影响。计算结果表明方法是正确可行的，具有一定的工程应用价值。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1 C/SIC复合材料的发展

1.2 C/SIC复合材料的组分

1.2.1 C纤维

1.2.2 SiC基体

1.2.3界面层材料

1.3 C/SIC复合材料的应用

1.4 C/SIC复合材料的研究状况

1.5本文研究内容

第二章基于单胞模型的3D-C/SIC复合材料结构动态特性研究

2.1三维编织复合材料的发展及研究现状

2.1.1三维编织技术的发展

2.1.2三维编织复合材料研究现状

2.2三维编织C/SIC复合材料结构动态特性有限元计算

2.2.1三维四向编织复合材料细观结构分析

2.2.2单胞模型的简化与有限元建模

2.2.3三维编织C/SIC复合材料悬臂梁结构模态分析

2.3三维编织C/SIC复合材料等效模量计算

2.4基于弯曲梁理论的悬臂结构动态特性理论计算

2.4.1等截面均匀梁弯曲振动的运动方程

2.4.2欧拉-伯努力悬臂梁自然模态

2.4.3复合材料悬臂梁固有频率理论计算

2.5小结

第三章利用蒙特卡罗方法研究3D-C/SIC复合材料结构动态特性

3.1概述

3.2蒙特卡罗方法介绍

3.2.1蒙特卡罗方法

3.2.2伪随机数与随机抽样

3.3三维编织C/SIC复合材料中孔洞的蒙特卡罗法模拟

3.3.1孔洞的形成机理和聚集形态

3.3.2 3D-C/SIC复合材料的致密化

3.3.3孔洞的蒙特卡罗法模拟

3.4含孔洞三维编织C/SIC复合材料悬臂梁结构模态分析

3.4.1梁结构有限元建模

3.4.2梁结构模态分析

3.5不含孔洞悬臂梁结构动态特性计算

3.6小结

第四章随机参数3D-C/SIC复合材料结构动态特性分析

4.1概述

4.2随机参数结构动力特性研究现状

4.3含随机参数复合材料结构动态特性分析

4.3.1随机参数复合材料梁结构有限元建模

4.3.2随机参数复合材料梁结构动态特性的数字特征

4.3.3随机参数梁结构固有频率计算

4.4基于ANSYS的确定性梁结构动态特性有限元分析

4.5小结

第五章总结与展望

5.1全文总结

5.2研究展望

参考文献

硕士期间发表论文

致谢