毕业设计（论文）复合材料热变形的数值模拟.doc

编号 南京航空航天大学毕业设计题 目复合材料热变形的数值模拟学生姓名学 号010610432学 院航空宇航学院专 业飞行器设计与工程班 级0106104指导教师二〇一〇年六月 南京航空航天大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：复合材料热变形的数值模拟）是在导师的指导下本人独立完成的尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品作者签名： 年 月 日 （学号）： 毕业设计（论文）报告纸复合材料热变形的数值模拟摘 要本文采用细观有限元模型计算了纤维增强复合材料的热膨胀系数以及细观失配应力，并研究了基体粘弹性对复合材料热膨胀和热失配应力的影响首先用Msc.PATRAN／NASTRAN软件建立了单向纤维的细观单胞模型，计算出单向纤维复合材料在不同纤维体积分数时的热膨胀系数和热失配应力，并与理论结果进行了比较，在此基础上对理论模型进行了改进。

随后在模型中引入粘弹性，研究了基体粘弹性对单向纤维模型热膨胀系数的影响在此基础上计算了对称正交复合材料的热膨胀系数并模拟了非对称正交模型的降温过程最后建立了纤维非均匀排布的细观有限元模型，初步研究了纤维排布方式对复合材料热胀性能的影响关键词：复合材料，微、细观力学，RVE模型，周期性边界条件，热膨胀系数，粘弹性Numerical simulation of thermal deformation of composite materialsAbstractMeso finite element models were employed for analysis of thermal expansion coefficient and meso-scale mismatch stress of fiber-reinforced composites. The effects of matrix viscoelasticity on thermal expansion and meso-scale thermal mismatch stress in composites were also evaluated in this thesis. Firstly, a meso-scale cell model of unindirectional fiber composite was established and based upon it the thermal expansion coefficient and thermal mismatch stress with various fiber volume fraction were calculated via Msc. Patran/Nastran package. The results were used to improve the theoretical model. Secondly, the viscoelasticity was introduced in resin matrix material and its effect on the overall thermal expansion of unidirectional fiber composites were investigated . thirdly, the thermal expansion coefficient of symmetric orthogonal composite was calculated and the cooling process of non-symmetric orthogonal composite was simulated. Finally, through modeling unit cells with random fiber arrangement, the effects of the fiber arrangement on the thermal properties of composites were studied.Key Words：composite materials; micro and meso mechanics; RVE model; periodical boundary condition; thermal expansion coefficient；viscoelastic目 录摘 要.........................................................................ⅰ Abstract......................................................................ⅱ 第一章 绪论....................................................................1 1.1 引言....................................................................1 1.2 复合材料热属性研究现状..................................................2 第二章 单向纤维模型的热膨胀系数以及失配应力....................................3 2.1 引言....................................................................3 2.2 单向纤维复合材料热性能的理论模型........................................3 2.2.1 单向纤维复合材料理论模型的建立....................................3 2.2.2 理论模型热膨胀系数的计算..........................................4 2.2.3 单向纤维复合材料热失配应力的预测..................................6 2.3 代表性体积单元的统一周期性边界条件......................................7 2.4 单向纤维复合材料细观有限元模型以及热膨胀系数和热失配应力计算. . .........9 2.5 理论和数值方法结果的比较.............................. . . . . ..........10 2.6 垂直纤维方向热膨胀系数理论模型的修正...................................12 2.7 基体粘弹性对热性能的影响........... . ..................................142.8 小结...................................................................16第三章 正交铺层复合材料的热性能分析...........................................18 3.1 引言...................................................................18 3.2 对称正交复合材料的热膨胀系数...........................................18 3.3 基体粘弹性对正交铺层复合材料热性能的影响...............................20 3.4 非对称正交铺层复合材料降温收缩过程的模拟...............................22 3.5 非对称正交铺层复合材料降温收缩弯曲的理论解.............................253.6 小结...................................................................27第四章 不同纤维排布方式复合材料热性能研究.....................................284.1 引言...................................................................284.2 六边形纤维排布方式模型的热膨胀性能.....................................284.3 纤维随机排列模型的热膨胀性能...........................................304.4 小结...................................................................32第五章 总结与展望.............................................................335.1 总结...................................................................335.2 工作展望...............................................................34参考文献......................................................................35致谢.......................................................................36i 毕业设计（论文）报告纸第一章 绪 论1.1 引言复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。

一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，并且有些性能是原来组分材料所没有的，复合材料改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料可以分为颗粒复合材料、纤维增强复合材料、层合复合材料三大类本文主要研究纤维增强复合材料的热属性与复合材料的刚度相比，复合材料成形过程中的变形更受关注，而复合材料成形时变形量的大小又受到热失配应力和热膨胀系数的影响，因此纤维和基体对成形后复合材料的热失配应力和热膨胀系数的影响成为研究的重点纤维增强复合材料的弹性性能和热膨胀系数及热失配应力等取决于织物的细观结构，采用细观力学的分析方法，预测纤维增强复合材料的细观结构形式对其宏观性能的影响，是实现其性能优化的重要基础热膨胀是所有材料的最基本特性之一，作为实现航空航天器结构和功能的重要。