三维编织复合材料预制件厚度在线测量及其不匀分析系统

本讨论了三维编织复合材料预制件厚度在线测量系统的测量原理与结构组成,并对测量结果进行分析,本系统的研制成功,填补了该领域的空白,为复合材料的力学性能研究和正确制造三维编织复合材料预制件提供了必要的基础。     

三维纺织物的纺织与固化工艺研究

三维编织复合材料具有优良的力学性能，已引起了广泛的关注。本文主要介绍了三维编织复合材料预制件的编织、固化工艺以及三维编织复合材料的优良性能。     

三维编织物的编织与固化工艺研究概述

三维编织复合材料具有优良的力学性能,已引起了业内广泛的关注。文章主要介绍了三维编织复合材料预制件的编织技术、固化工艺及其特点。     

变截面三维编织预制件的增减纱机制

从单元体角度分析了变截面三维编织预制件织造过程中增加或减少纱线的机制,讨论了单元数量减少法和单元尺寸缩减法2种具体实施方案的工艺、适用性和优缺点。采用数字摄影技术对预制件的表观结构进行了观测;采用拓扑方法对表面和内部减纱点处的纱线运动轨迹进行了分析,建立了纱线空间交织结构的几何模型。结果表明,采用2种减纱工艺制作的变截面预制件表面均无通透性孔洞缺陷,内部纱线倾斜方向无改变,倾斜角度稍有变化,整体结构不会出现明显应力集中,可以单独或联合使用制作变截面构件。     

异形截面预制件编织的置换分析

通过实例,应用置换理论分析了矩形三维预制件的编织过程,在将编织循环表达为不相交的轮换的乘积后,建立了各轮换与编织锭子移动规律之间的关系。以口字截面预制件编织为例,对异形截面三维预制件的编织过程进行了置换表达。从不相交的轮换的积的表达式中,不仅可以得到有关异形截面三维预制件编织锭子移动规律方面的特性,还可判别出方格阵上编织锭子的类别并确定其初始位置,为异形截面三维预制件编织的最终实现奠定了基础。     

三维编织复合材料预制件表面性能测试系统

本文讨论了利用面阵CCD为传感器、以微型机为主体对三维编织复合材料预制件表面性能进行测试的基本原理和结构组成,讨论了视频信号数据采集的实现方法和软件设置,同时给出了部分测试结果。本系统为三维编织复合材料的应用奠定了基础。     

变截面三维编织技术的研究进展

为深入了解变截面三维编织技术的研究进展情况,阐述了变截面三维编织原理,介绍了当前实现变截面三维编织成型的关键技术和研究现状,分析了现有变截面三维编织技术存在自动化程度不高、普适性不佳、工序复杂和纱线不均匀等问题,提出利用塑性金属选择性地添加纱线设计携纱器的思路。认为:变截面三维编织技术的优劣,需通过反复检验三维预制件的力学性能是否满足要求来评判。     

基于神经网络的复合材料缺陷超声波检测研究

描述了三维编织复合材料内部缺陷的超声波检测方法。在实现方法上,系统对三维编织复合材料的超声波A扫描回波信号进行小波包变换后,材料的内部缺陷信号被分解后表示为能量特征,并将缺陷特征值作为BP神经网络的输入参数,通过BP神经网络实现对三维编织复合材料微裂纹和孔隙的分类识别,并对三维编织复合材料缺陷自动化识别。实验结果证明该方法分析三维编织复合材料内部缺陷是可行性。     

三维编织复合材料预制件表面编织角的检测与不匀分析研究

本文介绍了三维编织复合材料预制件表面编织角的民不匀分析的基本原理。该系统以ＣＯＤ为传感器,与微型计算机连接,进行三维编织事材料预制件表面编织角的检测,并对其进行不匀分析。本系统为改善三维编织复合材料预制件的加工工艺具有指导作用,同时本系统为纺织复合材料新的性能指标建立提供了有利条件,为纺织复合材料在各个领域的广泛应用提供理论基础。     

三维异型整体编织底盘装置的设计

为提高三维异型整体编织的自动化程度进而提高编织效率,通过分析现有的三维异型预制件通用法和混合式样法编织工艺以及可实现异型编织的底盘设备,提出了一种利用步进电动机作为固定式导轨的驱动装置,并结合直流电磁铁在导轨两端中的定位功能,利用DMC5400A 四轴轨迹卡、IOC1280 IO 扩展卡与STM32F103 型微控制器控制实现了多种异型预制件自动编织的底盘装置。通过对编织底盘的结构组成和异型编织的工作过程进行分析测试,结果表明,利用这种底盘装置并结合其控制系统所进行的编织工艺,可实现异型预制件的柔性化织造,具有较好的应用前景。     

大尺寸三维编织复合材料结构损伤指数特征

为实现大尺寸三维编织复合材料内部损伤实时监测,针对三维六向编织复合材料的编织特点,将布拉格光栅（ＦＢＧ）传感器嵌入三维编织复合材料预制件中,提出了大尺寸智能复合材料的制作方法。研究了大尺寸复合材料内部ＦＢＧ 传感器的拉伸特性,基于主成分分析方法提出了制件结构损伤检测算法,分析了相同损伤的４ 个制件的损伤指数表现特征。试验结果表明：ＦＢＧ 传感器能准确测量复合材料内部损伤变化;损伤指数可描述试件结构损伤程度。损伤指数Ｔ２ 和综合损伤指数Ｐｈｉ 能迅速诊断制件内部损伤的存在性,对于制件的同一个损伤Ｐｈｉ 指数计算值大于Ｔ２ 指数值,是其２ 倍以上,Ｐｈｉ 指数可用于及时判断制件内部是否产生损伤,Ｑ 指数和Ｉ 指数描述损伤的详细参数更加准确。     

2.5维预制体结构参数的设计方法

由于缺少三维织物的设计理论,使确定2.5维预制体结构参数的确定成为三维纺织复合材料预制体设计人员面临的难题。为此,给出了相似2.5维预制体的定义,按纤维体积含量保持不变推导出相似2.5维预制体结构参数的关系式,以便根据原织物的结构参数计算出新织物的结构参数,特别是可以准确预测新织物的厚度。同时用3个实例验证了该关系式。研究结果表明,所得到的相似2.5维预制体结构参数关系式具有实用价值。     

Axial compressive deformation and damage of four-step 3-D circular braided composite tubes under various strain rates

This paper reports the axial compressive deformation and damage of three-dimensional (3-D) braided carbon/epoxy composite circular tubes under quasi-static and high strain rate loadings. Three kinds of 3-D circular braided composite tubes with different braiding angles of 25°, 35°, and 45° were tested under strain rates of 0.001/s, 330/s, 500/s, and 650/s. The stress–strain curves, deformation and damage of the braided tubes under axial compressions were obtained to analyze the compressive failure mechanisms and the influences of the braiding angles on the compressive behaviors. A finite element model based on the meso-structure of the braided preform and the braided composite was established to reveal the axial compressive deformation and damage mechanisms. The axial compressive behaviors were compared both in the finite element analyses (FEA) results and the tested data, and good agreements were found. From the FEA and experimental results, it was concluded that the compressions deformation, damage, and stress–strain curves are sensitive to the strain rate and the braided angles. The strain rate and braided angle are the key parameters for the design of the braided composite tubes with high compression strength.     

基于磁通图像的平板三维编织复合材料试件内部缺陷检测

基于量子扰动超导探测传感器超高的磁场灵敏度,将量子扰动超导探测无损检测技术应用于三维编织复合材料平板试件内部缺陷的无损检测。构建了适用于量子扰动超导探测检测需要的薄板中圆形缺陷涡流分布的理论模型。提出了量子扰动超导探测检测平板三维纺织复合材料试件内部缺陷的磁通变化成像算法,利用OPENCV软件对磁通图像进行处理,准确判定三维编织复合材料平板内部缺陷情况。试验结果表明：该方法准确描述了被检测试件缺陷的位置和尺寸;量子振动超导探测磁通成像具备良好的检测和定位的能力;相对于超声波等传统检测技术,量子振动超导探测技术是一种更为先进的三维编织复合材料的无损检测技术。     

编织结构玻璃长丝缝合线的打结强度

针对玻璃纤维丝束在纺织预制件或预浸料的缝合过程中易发生断裂的情况,设计了二维管状编织结构的玻璃纤维缝合线。采用Instron电子万能试验机对不同编织工艺参数的缝合线试样分别进行了loop结和knot结的拉伸强度测试,分析了拉伸断裂的机制和破坏模式。结果表明：编织结构玻璃长丝缝合线的打结强度和断裂伸长率明显高于玻璃丝束;花节长度是影响打结性能的主要因素;试样在试验过程中受剪切和拉力共同作用,经历伸直-受力-断裂几个阶段,试样断口基本平齐。     

Structural Analysis of 3-D Braided Preforms for Composites Part I: The Four-step Preforms

Three-dimensional (3-D) braiding technology using high-performance fibres for advanced composite structures is receiving great attention as a result of the outstanding mechanical and thermoelastic properties of the materials produced. There are now mainly two groups of 3-D braiding techniques, namely, the four-step and the two-step processes. The objective of the research reported in this paper was to study and analyse the preform structures. In this part, theoretical models for the four-step braided structures are established. Structural geometries of the preforms are analysed and discussed in accordance with these theoretical models. Mathematical relations among the structural parameters, such as the fibre orientation, yarn-volume fraction, and preform contour sizes, as well as their dependence on machine-operating conditions, are derived. The extreme values of the parameters due to geometric constraints under the jamming conditions are also analysed and determined. These extreme values dictate the limiting conditions in operation. The good agreement between the experimental observations and the theoretical predictions confirms the validity of the models developed.     

三维预制件缝合机器人视觉跟踪系统

为提高三维编织复合材料预制件缝合机器人的灵活性和智能性,应用结构光视觉跟踪技术设计了三维预制件缝合机器人的视觉跟踪系统。使用CCD和激光器设计了跟踪传感器;基于VC++6.0平台编制了系统软件;针对三维纺织复合材料中毛刺和花节引起噪声多的特点,采用二值化、中值滤波、开启数学形态处理对纺织复合材料激光图像进行预处理;采用纵坐标比较法快速检测接缝特征点位置;用三角原理计算缝合头偏移量。试验结果表明,该跟踪系统精度高,性能稳定,可以满足机器人缝合系统的要求。     

A novel structure design of braided composite pressure vessel and its mechanical analysis

A novel structure of braided composite pressure vessel (BCPV) is designed in this paper. Based on the overall geometry structure of braided preform, the representative volume unit (RVU) model is established. The effective elastic constants and the mechanical properties of the composite layer of BCPV are predicted, and compared with filament-wound pressure vessel (FWPV). Numerical results show that BCPV can effectively improve the overall mechanical properties of the composite pressure vessel, and has a wide application prospect.     

嵌入碳纳米线的三维编织复合材料损伤监测

为实现对三维编织复合材料制件损伤情况进行实时监测,提出了通过三维五向四步法在三维编织复合材料中嵌入碳纳米线传感器的方法,由于碳纳米线传感与碳纤维具有相似性,因此碳纳米线嵌入三维编织复合材料制件的对其承载性能几乎没有影响。通过三点弯曲实验分析了碳纳米线在三维编织复合材料制件遭受外界应力时其电阻变化率与应力应变的相关性。实验结果说明显示其相关性为指数拟合关系,因此,三维编织复合材料的损伤状况可通过嵌入其中的碳纳米线传感器的电阻变化率与制件所承载的应力应变函数映射关系来进行实时监测。     

三维编织复合材料中碳纳米管纱线嵌入位置和数量的优化配置

为解决三维编织复合材料嵌入碳纳米管(CNT)纱线传感器优化配置目标多、目标函数不连续问题,实现航天结构制件内部损伤的全面监测,采用非支配邻域免疫算法对多目标优化问题进行了研究。以四步法三维六向编织工艺为依据,分析了CNT纱线传感器的最佳嵌入位置和数量;通过非支配邻近免疫算法实现了CNT纱线传感器优化配置问题的求解,推导出不同尺寸的三维编织复合材料制件嵌入传感器的最优数量和位置。对损伤制件的应力实验及数据分析证明,CNT纱线传感器优化配置结果适用于三维编织复合材料的损伤监测,损伤定位误差小于0.6 mm。该研究为复合材料损伤源定位模型的建立提供参考。