含随机分布碳纳米管树脂基2D编织复合材料力学性能多尺度研究

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2D编织复合材料因其良好的结构整体性、可设计性和抗冲击等性能,成为现代飞行器结构设计的重要选材之一。然而,研究表明:基体性能很大程度控制着2D纺织复合材料的关键力学性能。为提升和改善2D纺织复合材料力学性能,围绕树脂基体材料的改性和增韧研究,已成为提高2D编织复合材料综合力学性能的重要举措之一。目前,碳纳米管因其优异的力学特性,备受复合材料学术界和工业界高度关注,其可作为一种重要的增强体用于改性树脂基体性能。因此,研究含随机分布碳纳米管树脂基2D编织复合材料的力学性能及增韧机制,具有重要的学术价值和工程意义。本文基于均匀化等效思想和多尺度建模方法,研究了含随机分布碳纳米管树脂基2D编织复合材料弹性性能及影响因素。首先,在纳米尺度上,基于碳纳米管的实体纤维等效模型和改进的随机顺序吸附算法,建立了含随机分布波形碳纳米管增强树脂基复合材料的几何模型,基于连续介质力学方法,发展了基于特征胞元的含碳纳米管树脂基参数化有限元模型,并结合实验数据验证了所建模型的有效性。其次,基于2D编织复合材料编织工艺,建立了2D二轴1?1编织复合材料的实体单胞参数化模型,采用均匀化等效思想,嵌入含随机分布碳纳米管树脂基体材料等效本构,结合周期性边界条件,建立了基于细观胞元的2D编织复合材料弹性性能有限元分析模型,详尽分析了含碳纳米管改性树脂对2D编织复合材料弹性性能的影响,经与实验数据对比,证明了模型的合理有效性。研究发现:当树脂基体中碳米管直径为30纳米、体积分数为0.5%时,2D二轴1?1编织复合材料横向弹性性能提高了约10%~16%,其轴向弹性模量的增强效果与材料的编织角高度相关。最后,系统讨论了编织角和纤维体积含量对含碳纳米管2D二轴1?1编织复合材料的弹性性能的影响规律。
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