三维编织碳纤维复合材料参数化设计及性能仿真

随着编织工艺的快速提升、制作成本的降低以及工业发展对材料特殊性能的需求，三维编织复合材料目前被航空、航天、军事、航海、交通运输和医疗等领域广泛使用。
相比于传统材料，三维编织复合材料中的编织纤维作为增强体在空间形成复杂交错的网状结构，从而使得三维编织复合材料具有重量轻、韧性好、抗疲劳和抗腐蚀能力强、抗冲击损伤和层间连接强度优异、材料参数可设计等诸多优势。目前，编织复合材料参数化建模、性能预测分析和应用等越来越多地被学术界和工程界关注。
本书第1章介绍了目前相关领域的研究现状；第2章介绍了目前三维编织碳纤维复合材料相关基本理论；第3章分别建立了三维五向矩形单胞结构模型、2.5D 编织复合材料模型和三维五向圆形横向编织单胞结构模型，基于上述模型对复合材料细观结构进行参数化设计；第4章以三维五向编织复合材料为例，基于 SolidWorks 2018 开发平台，使用 Solid-Works API 作为接口函数，采用VB.NET 作为编程语言实现复合材料单胞几何模型的参数化建模，完成了三维五向编织复合材料参数化设计系统的开发，系统化构建了编织工艺参数与复合材料结构的联系；由于目前对编织复合材料进行有限元分析时，Abaqus 软件使用较为普遍，因此，第5章对Abaqus 软件进行了介绍；第6章推导出了圆形横向编织单胞任意纱线所在局部坐标系和整体坐标系之间的应力转换矩阵，对复合材料力学性能进行预测等；第7章对矩形和三维五向圆形横向编织复合材料力学性能影响规律进行研究；第8章以2.5D 浅交弯联编织和三维五向编织复合材料齿轮为研究对象，将复合材料应用在齿轮和减速器箱体之上。
本书所涉及的主要研究内容为近几年我们课题组在复合材料相关领域的研究成果，希望对于从事复合材料研究和应用的人员有所帮助。本书具体编写分工如下：第2、6章由王旭鹏撰写；第5、8章由林文周撰写；第1章由张卫亮撰写；第3、7章由刘峰峰撰写；第4章由刘舒伟撰写。为了方便读者阅读参考，本书插图经汇总整理，制作成二维码放于封底，有需要的读者可扫码查看。
在本书编写过程中，作者深感知识不足，因此，书中的不足之处敬请读者批评指正。

著者
2023年于西安

王旭鹏，西安理工大学教授，工学博士，博士生导师，艺术与设计学院副院长，陕西省高校青年杰出人才，国家一流专业建设点（工业设计）负责人。先后主持/参与军委科技委重点和一般项目、国家自然基金面上和青年项目、教育部青年项目、陕西省重大理论与现实问题项目、陕西省青年杰出人才配套项目、陕西省教育厅自然专项等纵向科研项目20余项；出版专著1部《机构碰撞动力学》；主持获批航空工业科学技术二等奖1项、陕西省高等学校科学技术优秀成果二等奖2项；在国内外期刊发表科研论文50余篇，其中SCI检索30余篇；授权发明专利20余项。兼任陕西省机械工程学会工业设计分会理事、陕西省机械工程学会机械设计分会理事，中国人类功效学会生物力学专业委员会委员；担任国内外多个SCI、EI期刊编委及审稿人。
研究方向：机械系统动力学；运动生物力学；"医工"交叉创新设计与仿真；计算机辅助工业设计。

随着编织工艺的快速提升、制作成本的降低以及工业发展对材料特殊性能的需求，编织复合材料的应用越来越广泛。本书对编织复合材料进行参数化设计、力学性能分析和工程应用等方面研究，给出了编织复合材料从结构设计到性能评估的系统方法。本书共8章，内容涉及2.5D和三维编织复合材料结构的细观尺度建模、参数化设计系统开发和力学性能预测等方面。
本书可供编织复合材料研究和应用的科研工作者、高年级本科生、研究生和相关工程技术人员参考。

第1章　绪论  001
1.1 概述  001
1.2 国内外相关领域研究现状  003
1.2.1 三维编织复合材料微观结构研究现状  003
1.2.2 三维编织复合材料力学特性研究现状  005
1.2.3 齿轮传动系统研究现状  008
1.3 现有研究中存在的问题  010
1.4 本书主要研究内容  010
参考文献  011

第2章　三维编织碳纤维复合材料基本理论  019
2.1 三维编织技术  019
2.2 碳纤维复合材料  021
2.3 碳纤维复合材料力学性能分析方法  021
2.3.1 碳纤维复合材料纤维束力学性能分析方法  021
2.3.2 碳纤维复合材料力学性能分析方法  025
参考文献  032

第3章　三维编织碳纤维复合材料细观结构参数化设计  033
3.1 三维五向矩形单胞结构参数化模型  033
3.1.1 三维五向矩形编织工艺规律  033
3.1.2 三维五向单胞参数化建模方法  037
3.1.3 纤维体积分数计算  039
3.2 2.5D 编织复合材料参数化模型  041
3.2.1 2.5D单胞模型  041
3.2.2 2.5D单胞参数化建模方法  043
3.3 三维五向圆形编织复合材料参数化模型  050
3.3.1 三维五向圆形横向编织纱线运动规律分析  050
3.3.2 三维五向圆形横向编织复合材料单胞参数化模型构建  052
3.3.3 编织复合材料单胞物理特性参数化分析  062
参考文献  067

第4章　三维编织碳纤维复合材料参数化设计系统开发  068
4.1 系统开发流程  068
4.1.1 工作环境搭建  068
4.1.2 人机交互界面设计  069
4.1.3 具体程序设计  070
4.2 系统设计思路  070
4.2.1 模型参数计算  070
4.2.2 单胞实体建模  074
4.3 参数化设计系统应用  078
4.3.1 编织参数与单胞几何参数关系讨论  078
4.3.2 单胞几何模型实例  080
参考文献  082

第5章　Abaqus软件介绍  083
5.1 Abaqus软件概述  083
5.2 Abaqus软件基本模块  083
5.2.1 Abaqus建模前处理  084
5.2.2 Abaqus建模求解设定  087
5.2.3 Abaqus建模后处理  087
5.2.4 Abaqus简单实例分析  087
5.3 Abaqus软件复合材料领域专用模块  093
5.3.1 EasyPBC插件介绍  093
5.3.2 EasyPBC复合材料分析实例  094
参考文献  098

第6章　三维编织碳纤维复合材料力学性能预测  099
6.1 复合材料刚度预测  099
6.2 单胞有限元分析  111
6.2.1 组分材料弹性性能  111
6.2.2 周期性边界条件  112
6.2.3 复合材料宏观力学性能  117
6.3 复合材料力学性能有限元分析  119
6.3.1 细观单胞有限元模型  119
6.3.2 力学响应结果及后处理  122
参考文献  126

第7章　三维编织碳纤维复合材料力学性能影响规律研究  127
7.1 2.5D 编织复合材料力学性能影响规律  127
7.1.1 经向纱密度对复合材料力学性能的影响规律  127
7.1.2 纬向纱密度对复合材料力学性能的影响规律  129
7.2 三维矩形编织复合材料力学性能影响规律  131
7.2.1 编织角对复合材料力学性能的影响规律  131
7.2.2 纤维体积分数对复合材料力学性能的影响规律  134
7.3 三维圆形编织复合材料力学性能影响规律  137
参考文献  139

第8章　三维编织碳纤维复合材料应用研究  140
8.1 2.5D 编织复合材料齿轮  140
8.1.1 2.5D编织复合材料齿轮啮合强度  140
8.1.2 2.5D编织复合材料齿轮弯曲应力-脉动法  149
8.2 三维五向编织复合材料齿轮  154
8.2.1 三维五向编织复合材料齿轮啮合有限元模型  154
8.2.2 三维五向编织复合材料齿轮啮合强度  157
8.2.3 三维五向编织复合材料齿轮传动性能  163
8.2.4 三维五向编织复合材料齿轮与金属齿轮性能对比  169
8.3 三维五向编织复合材料减速箱  171
8.3.1 三维编织箱体的编织工艺原理和三维建模  171
8.3.2 三维编织复合材料箱体约束施加和载荷计算  177
8.3.3 三维编织复合材料箱体模型网格划分与材料定义  177
8.3.4 三维编织复合材料箱体有限元静力学分析  177
8.3.5 三维编织复合材料箱体有限元模态分析  181
参考文献  184