姜黎黎　徐美玲　王幸东　翟军军

摘 要：基于螺旋型单胞几何模型和多相有限元理论，建立了三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析模型。通过对代表体积单胞施加不同的复杂载荷比，数值预报了三维四向编织复合材料在双向拉伸和拉剪载荷作用下的破坏点，得到了材料的破坏包络线。结果表明，编织角对三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的破坏影响较大，编织角比较小时，应重视复杂载荷之比对材料破坏的不利影响。此方法为三维编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析提供了有效方法。

关键词：三维编织复合材料；力学性能；螺旋型几何模型；复杂载荷

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.020

中图分类号： TB332

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）04-0108-05

Abstract：The mechanical analysis model of 3D fourdirectional braided composite under complex loadings were developed based on the helix geometry model and finite multiphase element method. The failure points of 3D fourdirectional braided composites under tensiontension and tensionshear loadings were predicted when different loading ratios are imposed upon the unit cell， and failure envelopes were obtained. The results show that the braiding angle has a significant effect on the mechanical properties of 3D braided composites under complex loadings. The impact of loading ratios on the failure of braided composites should receive more attention. The present numerical method provides an effective tool to predict the mechanical properties of 3D braided composites under complex loadings.

Keywords：3D braided composites； mechanical properties； helix geometry model； complex loadings

0 引 言

三維编织复合材料由于其增强体为三维整体编织结构，突破了传统复合材料层合板结构的概念，在提高复合材料层间强度、抗冲击、抗断裂和损伤容限等方面具有巨大的优势和潜力，同时具有优良的可设计性，可以一次成型复杂的零部件。因此，三维编织复合材料受到工程界的普遍关注，在航空、航天、国防、体育用品和生物医疗等领域得到了广泛应用[1]。

Ma、Yang、Kalidindi和吴德隆[2-5]等在详细分析了三维编织复合材料的成型技术与编织工艺的基础上，分别建立了“米”字型单胞模型、纤维倾斜模型、螺旋纤维模型以及三胞模型，并基于这些细观结构几何模型研究了三维编织复合材料的刚度Ko[6]对三维编织石墨/环氧树脂复合材料进行了拉伸实验，结果表明近似垂直于加载方向失效面上的纤维断裂是引起三维编织复合材料失效的主要原因。……