三维多层整体结构纤维预成型体的变形表征和本构模型

纤维预成型体变形是复合材料成型过程中的关键基础问题，对复合材料的成型和基体材料的渗透有着极其重要的影响，同时它还决定着增强纤维的取向分布和体积含量，进而影响复合材料制品的最终性能。因此，纤维预成型体的变形特性一直是复合材料力学和织物力学领域的研究热点。过去的工作主要集中于二维织物的变形问题。近年来，三维织物作为一种先进的织物结构预成型体在复合材料成型工艺中得到了越来越广泛的应用。与二维织物相比，三维织物具有空间立体的纤维构架和连接厚度的Z向纱线，目前尚无成熟的变形分析模型。本项目将在前期研究的基础上，系统研究三维预成型体的变形机理，表征预成型体结构与性能的关系，重点解决：三维织物的多层次结构演变及与预成型工艺的相互作用、三维整体纤维构架的大变形机制、基于细观结构的三维多层整体织物的非线性本构关系等三个科学问题，为三维织物增强复合材料成型工艺的参数优化、缺陷控制和性能分析等提供依据和方法

三维多层结构纤维预成型体是目前迅速发展的一类新型高性能复合材料的增强结构相，对复合材料的成型工艺和最终材料性能起着十分重要的作用。本课题针对纤维预成型体在复合成型工艺过程中的变形问题，对三维多层结构纤维预成型体的拉伸、压实、剪切、层间性能以及成型性能进行了试验研究，分析了织物典型结构特征对三维预成型体变形性能的影响；提出了三维预成型体层间性能的试验方法；在试验分析的基础上，分层次建立了三维多层结构纤维预成型体的细观分析模型，揭示了三维预成型体的变形机理及变形特征；基于有限变形理论建立了三维多层结构纤维预成型体本构模型，并通过有限元二次开发技术对三维预成型体的冲压成型进行了数值模拟，数值计算与实验吻合较好。课题研究成果为三维纺织结构复合材料的工艺设计和性能分析提供了理论基础和设计依据。