三维五向编织复合材料中纱线截面形状实验分析

采用CCD显微摄像仪获取了树脂基三维五向编织复合材料的一系列截面图像, 分析了编织复合材料内纱线的排列规律及其截面形状的变化。实验结果显示: 沿编织成型方向, 三维五向编织复合材料的不同横截面内纱线的排列方式不同, 且呈周期性变化; 编织纱线的截面形状近似为扁平的凸透镜形; 第5向不动纱的轴线基本保持伸直, 其截面形状沿其轴向近似为扇形和三角形相互过渡变化; 表面编织纱线的排列方式与内部编织纱线的排列有关, 其截面形状近似为椭圆形。     

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。     

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。     

三维编织复合材料弹性性能的表面胞体效应

在作者已有的内胞模型基础上, 结合陈利等的面胞纱线走向及Chou 等对表面纤维束截面形状的描述,建立了由面胞和内胞组合的有限元分析模型, 比较真实地模拟了三维四向编织复合材料的真实结构。通过有限元计算预测了其弹性性能, 并同实验结果进行了比较, 分析讨论了三维四向编织复合材料的面胞对整体弹性性能的影响。研究结果证明了面胞在三维四向编织复合材料弹性性能有限元预测中的重要性。      

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。      

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。      

三维四向编织复合材料的几何建模及刚度预报

提出了四步法三维四向矩形编织复合材料的单胞几何模型, 该模型考虑了空间纤维束的相互扭结和挤压而造成的纤维束弯曲和截面形状变化。基于刚度体积平均思想, 采用微元段直纤维的单向层板刚度分析方法建立了相应的刚度预报模型, 得到了材料的工程弹性常数, 数值结果表明了该模型的有效性;分析了工艺参数和纤维束横截面形状对弹性常数的影响规律, 得到了一些有益结论。     

三维角联锁结构复合材料弹性性能的细观设计探讨

基于对三维角联锁结构复合材料真实细观结构的图像分析,建立了几何分析模型,在该模型中假设经纱的横截面呈矩形,纬纱的横截面呈凸透镜形,并运用刚度平均原理,推导出了以角联锁结构复合材料预制件的7个宏观设计参数和纤维、树脂的弹性性能指标为参数变量的弹性性能计算公式,在此基础上编制了能提供三种选择的计算机预测软件,即选择组织结构、力学模型和任意一个偏轴角,从而初步实现了角联锁结构复合材料弹性性能的细观设计.实验结果表明,依据本研究提出的几何分析模型并采用刚度平均理论预测的等效工程弹性常数与实际测得的值之间总体趋势相同,数据基本相符.     

一种改进的三维四向编织复合材料单胞模型及宏观弹性常数预测方法

提出了一种考虑打紧工艺导致纤维束截面形状沿其轨迹方向连续变化的三维四向编织复合材料改进单胞模型,并用于宏观弹性常数预测方法。首先,基于编织工艺过程分析,确定了单胞内部的纤维束布局形式;然后,从几何上推导了纤维束受挤压部位的位置坐标,并假设纤维束在受挤压前截面为圆形,受挤压部位发生圆形到椭圆的过渡变化,导致纤维轨迹产生弯曲,建立了纤维束截面为圆形和椭圆连续变化的改进单胞模型。通过该模型推导单胞编织参数和几何尺寸的数学关系,由此得出的几何特征数据与试件实测数据较为吻合,花节长度的预测值相对误差小于4%,相比于不考虑纤维束挤压变形的单胞模型更接近实际情况。最后,基于该改进的单胞模型,预测了三维四向编织复合材料的宏观弹性常数,并进一步研究了编织角和纤维体积分数对弹性常数的影响规律。     

三维五向管状织物纱束轨迹及纤维体积分数的分析与研究

针对四步法编织的三维五向管状织物,基于圆形编织的纱束运动过程及机理分析,研究了织物内部与表面纱束的几何拓扑关系,继而提出三维五向管状织物的单胞结构模型。在此基础上,分别用阿基米德螺旋线段和圆弧段近似预成型内部与表面的纱束轨迹投影,并给出相应的数学描述。根据单胞几何特征,提出了织物横截面上不同位置处的纤维体积分数计算方法。通过建立纱束数据结构及运用计算机可视化技术,对纱束空间轨迹及横截面纤维体积分数进行了模拟显示。这对表征三维五向管状织物的结构性质、实现编织参数优化设计有着重要的意义。      

Evaluation of the integrity of 3D orthogonal woven composites with embedded polymer optical fibers

Due to their high flexibility, high tensile strain and high fracture toughness, polymer optical fibers (POF) are excellent candidates to be utilized as embedded sensors for structure health monitoring of fiber reinforced composites. In 3D orthogonal woven structures yarns are laid straight and polymer optical fiber can be easily inserted during preform formation either as a replacement of constituents or between them. The results of the previous paper indicated how an optic fiber sensor can be integrated into 3D orthogonal woven preforms with no signal loss. This paper addresses whether incorporating POF into 3D orthogonal woven composites affects their structure integrity and performance characteristics. Range of 3D orthogonal woven composites with different number of layers and different weft densities was fabricated. The samples were manufactured with and without POF to determine the effect of embedding POF on composite structure integrity. Bending, tensile strength tests, and cross section analysis were conducted on the composite samples. Results revealed that integrity of 3D orthogonal woven composite was not affected by the presence of POF. Due to its high strain, embedded POF was able to withstand the stresses without failure as a result of conducting destructive tests of the composite samples. Micrograph of cross-section of composite samples showed that minimum distortion of the yarn cross-section in vicinity of POF and no presence of air pocked around the embedded POF which indicates that 3D woven preform provided a good host for embedded POF.     

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.     

SMA纤维复合材料变截面板簧的固有频率特性研究

摘 要:研究了形状记忆合金（SMA）纤维混杂复合材料变截面板簧的固有频率特性。基于Brinson本构模型,讨论了SMA的受限回复特性。在建立具有SMA纤维的各向异性层合梁本构方程的基础上,利用瑞利-里兹能量法求板簧的固有频率,并给出板簧固有频率的表达式。应用MATLAB进行数值计算,得到板簧固有频率与温度、铺层角、SMA含量的关系曲线,揭示了形状记忆合金纤维复合材料变截面板簧的固有频率可调节机理。     

纤维截面形状对聚酯纤维材料吸声性能的影响研究

为探讨聚酯纤维截面形状对吸声性能的影响,通过热压法制备了4种不同纤维截面形状的聚酯纤维板,利用阻抗管对4种聚酯纤维板在80~6 300 Hz频率范围内的吸声性能进行测试。根据流阻率模型和声阻抗模型对材料吸声性能进行预测,并将该模型的计算结果与测试结果进行比较。结果表明：扁平截面的聚酯纤维材料的吸声性能最佳,平均吸声系数达到0.404;对于聚酯纤维材料的吸声系数与模型的计算值,圆形截面聚酯纤维材料吻合较好（全频段误差率为2.036%）,异形截面聚酯纤维材料的误差较大。     

变截面形状螺旋形炭纤维的制备和生长机理

以镍为催化剂,通过控制碳源气体乙炔的流速,在1 013 K-1 053 K温度下,制备了纤维截面形状在生长过程中由扁平形变为圆形的螺旋炭纤维,同时螺旋直径也相应的由4.2 μm变化为6.0 μm,这种变截面螺旋炭纤维的发现,为微机械系统提供了一种新型弹簧.提出了变截面螺旋炭纤维的生长机理,认为催化剂颗粒的各向异性不仅影响螺旋炭纤维螺径的大小,还影响纤维的截面形状.随着生长过程中反应条件的改变,催化剂各向异性也发生改变,长方形催化剂既可以生长扁平形也可以生长圆形截面螺旋形炭纤维,但是立方形催化剂只能生长圆形截面螺旋形炭纤维.该机制的提出不仅有助于加深对双螺旋炭纤维生长本质的认识,还对指导螺旋形炭纤维的控制生长具有重要意义.     

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。