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。     

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。     

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。     

四步法矩形组合截面三维编织物的细观结构

采用控制体积法研究了以四步法编织矩形组合截面三维编织物的特殊细观结构。根据三维编织原理,得到编织物内各区域携纱器的运动规律。从中看出, 除了常规矩形截面三维编织物所具有的内部、棱(外) 角和表面区域外, 矩形交接区域的内部、内角和表面具有特殊的细观结构。分析了矩形组合截面三维编织物所特有的矩形交接区域以及交接内部、交接内角和交接表面的细观结构, 建立了这三个区域的单胞模型。结果表明, 交接区域的内部单胞外形为立方体, 交接区域的内角单胞外形为七棱柱体, 交接区域的表面单胞为五棱柱体。与常规矩形截面的单胞相比, 矩形组合截面在交接区域中, 纱线的空间形态和编织角均存在明显不同。     

三维四步方形编织结构的几何建模

研究三维复合材料的编织结构是分析这种材料力学性能的前提。从三维编织工艺和实际的编织过程出发,针对方形编织结构提出了一种单元几何模型。该模型以携纱器循环一周返回到起始位置所形成的纱线编织结构作为单元,保证了纤维束的连续性和材料整体结构的完整性。对每根纱线,选取它在编织体各个区域内合适的控制点,过这些控制点拟合成三次样条曲线,以此模拟纱线的空间结构中心线。最后得到纱线和编织体的结构。     

三维五向编织复合材料的力学性能分析Ⅰ:细观结构模型

通过观察CCD显微摄像仪获取的三维五向编织复合材料的截面图像，分析了纱线的排列规律及其截面形状的变化，建立了三维实体单胞模型，该模型合理地反映了纱线的交织状态和截面形状。基于该模型建立了编织工艺参数之间的几何关系。将预制件的外型尺寸和体积含量的计算值与实测值进行比较，吻合较好，为材料进一步的有限元分析奠定了基础。     

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。     

三维五向编织复合材料的力学性能分析 Ⅱ:细观应力数值模拟

在实验观察的基础上,考虑轴纱的挤压变形及纱线填充因子变化,修正了现有的细观结构模型,建立了更加真实反映三维五向编织复合材料内部编织结构的单胞模型。利用该模型采用3D有限元法计算了材料的轴向弹性模量,数值预测与实验数据吻合较好。分析了单胞在拉伸载荷作用下的细观应力分布,为材料进一步的强度预测奠定了基础。     

变截面三维编织复合材料的净形制备及弯曲性能

介绍变截面三维编织预型件的减纱净形制备工艺,通过实验观察与理论建模相结合的方法,分析减纱对预型件细观结构的影响,对比整列减纱、行单元减纱与切削复合材料在变截面区域的弯曲性能。结果表明表面与内部减纱单元是减纱时的基本单位,保证编织规律不变是减纱工艺的基本原则;表面或内部单元减掉后分别会形成两组特殊的纱线轨迹,其中一组纱线的长度与编织角大小较不减纱时增大,而另一组纱线只改变编织角的方向;行单元减纱与整列减纱复合材料的弯曲性能均明显优于切削试件,且行单元减纱试件的弯曲性能比整列减纱试件略高。     

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。     

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。     

Geometrical modelling and control of a triaxial braiding machine for producing 3D preforms

Braiding is a relatively less explored textile process for producing composite preforms. Biaxial braids can be produced as hoses and subsequently be draped over different three-dimensional surfaces. However, triaxial braids are relatively stable structures and should be produced to the desired shape during the braiding process. This is achieved by over-braiding on mandrels that either form part of the finished composite or removed before the moulding process. Triaxial braided composites have superior mechanical properties due to fibre orientations along three directions.Geometry of a braided structure depends on the number of yarn carriers, rotational speed of the carriers, take-up speed and the effective perimeter of the cross-section of a mandrel. In the present work, a VRML based geometrical visualisation tool has been developed to simulate a braid structure on any predefined mandrel geometry, and using a predefined yarn cross-section. Braid angles, cover factors and yarn volume fractions can be computed from these simulations. A triaxial braiding machine has been developed with an independent servo control of the carrier movement and the take-up mechanism; geometrical simulation is used as an input to the control system to continuously vary the braid structure along the length of a mandrel. Flexible tooling is important for rapid product development. A flexible mandrel has been developed that can be mechanically adjusted to change the cross-section and the taper. This system enables rapid development of braided preforms.     

三维七向编织结构细观分析

根据三维编织的主要工艺, 系统地分析了三维七向编织物纱线的面内和空间运动规律。在此基础上,建立了能反映其基本结构的几何单胞模型, 并推导了编织参数之间的数学关系, 为进一步分析三维七向编织复合材料的力学性能奠定了基础。     

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。