三维管状编织复合材料及其构件可变微单元几何分析模型

针对工程实际中的管状和空间三维编织复合材料构件中力学性能存在梯度的情况,提出一种性能可以变化的六面体微单元几何模型来描述三维编织复合材料及其构件的几何特性。这种微单元的结构根据三维编织立体几何结构的不同而不同。找出微单元几何形状的变化规律和编织纱线在单元中的位置及体积百分数的变化趋势,为确定这些因素与微单元局部力学性能的关系提供了一种切实可行的分析模型。以轴线为直线的管状三维编织复合材料为例,建立了可变微单元几何模型,详细分析了各个参数之间的变化关系。这里等轴向编织花节矩形断面复合材料分析成为可变微单元分析方法的一种特殊情况,同时这种模型还可用于描述空间复杂形状多维编织复合材料的几何特性描述,有助于这类材料及构件的力学分析。      

三维四向编织复合材料改进模型的细观分析

三维编织复合材料现有的成型方法将导致编织物单胞模型发生变化,据此提出了一种改进的具有矩形截面的单元内胞模型,假设编织纱线具有平行六边形横截面,分析了不同区域胞体内部纤维束的空间构型,建立了三维四向编织复合材料内部单胞三维实体模型。通过分析编织物内纱线间的空间接触关系,采取合理的假设,推导了编织工艺参数和模型结构参数的关系,并计算了三维四向编织复合材料的纤维体积含量,为该种材料后续力学性能分析奠定了基础。该模型适用于部分不规则成型工艺,并有可能应用于其他形式的编织工艺研究。     

矩形组合截面四步法二次三维编织及其空间模型可视化

针对矩形组合截面1×1三维编织, 根据其主体纱和边纱的特点, 在四步法和分组编织的基础上, 通过对2组编织纱线依次进行四步法移动, 实现了矩形组合截面四步法二次三维编织算法。根据此算法, 利用Python脚本语言和GUI工具Tkinter编写了纱线运动模拟程序, 分析了纱线运动规律。对纱线中心线控制点做了3次Beta-Splines样条插值, 利用VTK构建了三维编织物的空间可视化模型, 并允许对该模型进行直观的人机交互操作。      

数字化多轴向三维编织原理样机及其工艺研究

三维编织预制体是高性能复合材料增强相。三维编织装备的数字化程度决定了三维编织预制体的可设计性、成型精度和可追溯性。为解决传统编织机数字化程度低的瓶颈,本文研制了一种数字化多轴向水平放纱三维编织原理样机。根据步进驱动原理设计实现原理样机的六齿型空心轴拨盘,并通过建立纱线空间运动模型设计制备恒张力水平放置携纱器。采用Visual Studio设计开发基于Windows 7以上64位操作系统的CAE实时控制程序,以STM32微控制器为基础,设计原理样机的下位机硬件控制电路。根据空间运动学原理,在笛卡尔坐标系下建立纱线运动轨迹模型,模拟纱线的运动轨迹,并使用850D聚丙烯纤维进行验证实验。 运用本文设计的编织原理样机进行实验,获得的编织结构与仿真结果吻合的较好 ,证明了原理样机编织多层织物结构的可行性,同时验证了仿真结果的准确性。     

基于预制体边界反射方法的三维四向编织复合材料几何建模

针对预制体中纱线路径复杂,几何建模耗时较长的问题,提出了一种预制体边界反射(PBR)方法,有效地缩短了几何建模过程中建立纱线运动模型的计算时间.在此基础上,开发了基于SolidWorks软件的CAD仿真建模系统,可模拟不同编织参数下的三维编织预制体整体结构.与传统建模方法相比,PBR方法可在不影响预制体几何建模精度的前提下,明显缩短仿真时间.因此,可明显提高编织工艺设计的效率.该方法为复杂几何结构预制体的细观结构和机械性能研究奠定了基础.     

三维六向编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

基于三维六向编织复合材料的细观结构,假设第六向纱线的截面形状为菱形,建立了三维六向编织复合材料的渐进损伤有限元模型。采用Linde等提出的失效准则,引入周期性位移边界条件,对三维六向编织复合材料的纵向拉伸应力-应变行为进行了渐进损伤数值模拟,讨论了单胞模型在纵向拉伸载荷作用下的细观损伤起始、扩展和最终失效的演化过程,并预测了材料的拉伸强度。在此基础上,进一步研究了编织角、纤维体积分数和编织纱水平取向角等参数对材料纵向拉伸力学性能的影响规律。研究结果表明,三维六向编织复合材料的轴向纱线拉伸断裂是导致其破坏的最主要因素。所得数值结果与现有试验值吻合较好,验证了该模型的有效性,为更深入研究此类材料的力学性能奠定了基础。     

三维编织中纱线的运动规律分析

三维编织通过携纱器的间歇运动,使编织纱线彼此相互交织。编织纱线趋向于沿携纱器运动的方向运动。本文作者采用最小二乘法拟合携纱器的运动趋势线,系统地分析了编织过程中纱线的空间运动规律。在此基础上,获得的预制件结构单胞模型包含内部单胞和表面单胞。单胞的取向平行于预制件的表面,有利于材料的力学性能分析。     

三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析

在已有研究的基础上,提出了一个新的三维编织复合材料单元胞体模型,该模型正确地反映了纤维束的交织方式,十分接近三维编织复合材料的真实结构,可用于三维四向编织复合材料有效模量的有限元数值预报,并合理确定复合材料内部全场应力分布。采用有限元软件对该模型进行了力学分析,得到了相关等效弹性性能参数。结果表明:有限元计算得到的三维编织复合材料的等效弹性性能与实验结果和理论预测值都吻合较好,从而验证了该模型的有效性。此外,基于新的单元胞体模型还确定了三维四向编织复合材料的应力场,为进一步的强度计算奠定了基础。      

四步法三维矩形编织复合材料的细观结构模型

基于现有实验研究和编织工艺中携纱器的运动规律, 重点分析了材料内部区域纤维束的空间构型, 建立了材料的三维实体细观结构模型。该模型不仅体现了内部纱线因打紧工序而形成的紧密接触和截面变形, 而且考虑了内部和表面区域纱线因挤紧状态不同所造成的纱线填充因子变化。基于一种单胞取向平行于材料横截面边界方向的新划分方案, 解决了45°单胞划分方案的不足, 建立了便于力学性能分析的单胞几何模型, 并指出了编织工艺参数和模型宏细观结构参数的关系。模型数值结果与试件实测数据吻合, 表明了该模型的合理有效性,为材料后续力学性能分析奠定了基础。      

三维全五向编织复合材料的细观结构分析

针对三维全五向编织复合材料,研究了其四步法编织工艺的实现过程,并详细描述了编织复合材料各控制区域内纱线的空间走向及运动规律,在此基础上建立了能反映三维全五向编织复合材料基本结构的几何单胞模型。通过分析编织物内纱线间的空间挤压关系,设定合理的假设,计算了全五向编织复合材料的纤维体积含量,并分析了纤维体积含量与编织工艺参数之间的关系,为进一步研究该材料的力学性能奠定了基础。     

三维六向编织复合材料弹性性能理论预测

在三维六向编织物纱线运动规律的基础上, 建立了单胞模型, 推导了编织参数之间的数学关系。基于该模型, 采用改进的刚度平均化方法, 导出了三维六向编织复合材料的工程弹性常数, 分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响。结果表明, 三维六向编织复合材料具有良好的力学性能, 由于面内纬纱的加入, 使面内的力学性能得到了提高。      

二步法方型三维编织复合材料的细观结构

对二步法方型三维编织复合材料的三维五向结构进行了真实的描述与分析。在此基础上划分出边上、角上和内部单元体。通过对复合材料的横截面以及与试件表面成45°的纵切面进行观察,确定出轴纱因受编织纱捆绑挤压产生的形变情况以及轴纱内纤维体积含量。     

Prediction of the yarn trajectories on complex braided preforms

Braiding can be used to manufacture preforms for resin transfer moulding (RTM). With braiding, many yarns are used, non-geodesic yarn paths are possible, and the interlaced structure of braids provides typical mechanical properties such as high impact strength. Previously, several models were developed to predict the fibre angles on simple, stationary braided preforms, but not for complex, non-axisymmetric preforms. This paper presents a fast and efficient model to predict the fibre angles on complex biaxially braided preforms. The model is verified with experiments on two mandrels and the experimental and numerical results show good agreement.     

Geometric mapping of yarn structures due to shape change in 3-D braided composites

The internal yarn structure in 3-D braided preforms possesses a certain topological character which is unique to the braiding method used. Hence, preforms of different shapes but braided by the same method have topologically similar yarn structures. This unique property offers the possibility that the yarn structure in preform of one shape may be geometrically mapped to that in another shape, and vice versa.

This study discusses a geometric mapping methodology, the objective of which is to obtain the appropriate mapping which analytically links the yarn structures in two preforms of different shapes; if the yarn structure in one preform is known, the yarn structure in the other can be determined by the derived geometric mapping.

Two broad classes of mapping are discussed. The first concerns mapping between two preforms that are braided directly in two different shapes; the second concerns mapping between the initial and final shapes of one single preform which is deformed after braiding. In each case, the mathematical forms of the desired mapping functions are obtained, satisfying the geometric constraints imposed by the internal yarns in the respective preforms. The determined mapping functions are then used to investigate the braidability and/or deformability of the considered preforms. Specifically, limiting windows for the braiding parameters that insure the braidability and/or deformability of the preforms are obtained using the appropriately derived mapping functions.

The 4-step 1 × 1 braiding method is used throughout this paper to illustrate the general mapping procedure; rigorous and explicit geometric relationships are derived leading to mapping functions between preforms of rectangular and curvilinear cross-sections. Numerical examples involving mapping between preforms of rectangular and tubular cross-sections are investigated in detail, along with examination of the preform braidability and/or formability.     

三维方型编织预制件的纱线编织结构

主要研究了四步法1×1 编织预制件的纱线编织结构。采用控制体积单元法和实验观察相结合的方法, 根据携纱器的编织运动规律, 将预制件分为三个区域, 识别了局部单胞模型。在椭圆形横截面假设的基础上, 考虑了编织纱线的填充因子, 建立了编织工艺参数之间的关系。      

Micro-CT Characterization on the Meso-Structure of Three-Dimensional Full Five-Directional Braided Composite

The meso-structure is important in predicting mechanical properties of the three-dimensional (3D) braided composite. In this paper, the internal structure and porosity of three-dimensional full five-directional (3DF5D) braided composite is characterized at mesoscopic scale (the scale of the yarns) using micro-computed tomography (micro-CT) non-destructively. Glass fiber yarns as tracer are added into the sample made of carbon fiber to enhance the contrast in the sectional images. The model of tracer yarns is established with 3D reconstruction method to analyze the cross-section and path of yarns. The porosities are reconstructed and characterized in the end. The results demonstrate that the cross sections of braiding yarns and axial yarns change with the regions and the heights in one pitch of 3DF5D braided composites. The path of braiding yarns are various in the different regions while the axial yarns are always straight. Helical indentations appear on the surfaces of the axial yarns because of the squeeze from braiding yarns. Moreover, the porosities in different shapes and sizes are almost located in the matrix and between the yarns.     

三维四步法圆型编织结构分析

三维编织中,编织纱线趋向于沿携纱器运动的方向运动。本文作者根据携纱器的运动规律,采用定义代表性控制域的方法,详细地研究了三维圆型编织中所形成的空间纱线交织结构。在此基础上,获得的预成型件结构单胞模型包含四种内部单胞和两种表面单胞。预成型件的整体结构可由六种单胞组装而成,且单胞的几何特性与其在预成型件横截面内所处的位置有关。单胞与预成型件具有相同的取向,有利于材料的力学性能分析。