具有三维编织结构碳纤维复合材料管件的能量吸收机理

以碳纤维与环氧树脂通过真空辅助树脂传递成型技术制备得到具有三维四向编织结构的管件物为研究对象,探究了编织角(30°、45°、60°)和编织结构中排纱层数(3、4、5层)对碳纤维复合材料管件在轴向压缩条件下吸能性能的影响.试验结果表明:采用三维编织结构可以阻止在厚度方向上裂纹的扩展;编织角的变化所引起的碳纤维复合材料管件的压缩模式以及能量吸收特性的变化较明显,而编织层数则无明显影响.     

碳纤维增强编织复合材料圆管的扭转力学性能及其损伤机制

为研究编织层数对编织复合材料圆管的扭转力学性能和失效模式的影响,采用二维编织铺层(Over-Braiding)工艺及真空辅助树脂灌注成型工艺分别制备了2、3和4层的碳纤维/树脂编织复合材料圆管.通过搭建扭转试验-非接触全场应变测试平台,研究了3种编织层数的复合材料圆管的扭转力学响应.基于扫描电子显微镜与微计算机断层扫描...     

碳纤维增强编织复合材料圆管制备及其压缩性能

为进一步探究编织结构与长度对复合材料圆管压缩性能的影响,采用树脂传递模塑成型工艺复合二维编织铺层与三维四向编织圆管,通过轴向准静态压缩试验获取了4种复合材料圆管试样的压缩力学行为。结合高速摄影记录,分析了编织复合材料圆管的破坏过程及失效模式,探索其压缩失效机制。结果显示:试样均表现出弹塑性特征,但三维编织圆管呈现出更好的压缩承载特性,其压缩模量与载荷峰值分别达到5.91 GPa与14.23 kN;试样呈现出纤维断裂、基体开裂脱黏、瓣状破坏、剪切以及挤压屈曲等破坏模式中的几种或全部的组合;二维编织复合材料圆管的渐进失效特征更为明显,具有较好的吸能特性,且其压缩模量随管件长度的增加而有所提升,但是吸能效果与试样长度呈非线性关系。     

基于DIGIMAT的碳纤维增强环氧树脂编织复合材料的力学性能

为准确预测不同编织工艺参数下编织复合材料的等效弹性性能,拓宽碳纤维增强环氧树脂编织复合材料的应用领域。建立了考虑随纤维路经产生扭结缺陷的二维三轴编织复合材料的代表性体积单元(RVE),并基于平均场均匀化方法,利用DIGIMAT预测复合材料的等效弹性模量,分析不同编织角对编织复合材料等效工程常数的影响规律;其次基于强度失效准则,预测编织复合材料在单轴拉伸加载情况下的力学性能;最后通过数值模拟获得编织复合材料RVE的应力与应变。结果表明：预测的编织参数对等效工程常数的影响规律与试验测量一致,获得的应力、应变可为进一步研究其损伤破坏行为提供参考。     

三维编织复合材料压缩损伤声发射特性分析

论述了声发射技术在三维编织复合材料压缩过程中的应用及实验方法,给出了声发射在三维编织复合材料中压缩过程的特征。结果表明,声发射参数可描述复合材料在不同情况下内部变形的损伤机制。表面编织角是影响三维编织复合材料力学性能的主要参数,编织角小于30°,三维编织复合材料具有较好的压缩性能;编织角大于40°,三维编织复合材料压缩力学性能明显降低。为分析复合材料的力学性能,改善材料复合工艺提供理论基础。     

碳纤轴纱对编织复合材料力学性能影响研究

对不同角度下玻纤双轴与玻纤碳纤三轴编织复合材料进行了拉伸试验,研究角度及碳纤轴纱对复合材料拉伸性能、破坏模式影响。结果表明,碳纤维轴纱可以增强材料拉伸强度及模量,使材料更具弹性,降低断裂伸长率。当编织角为60°左右时,拉伸强度增加最大,为219.9 MPa。编织角增大,拉伸强度降低且影响较大。碳纤轴纱复合材料破坏模式为局部基体破裂,部分纤维束断裂。     

二维三轴向编织混杂层合复合材料的冲击性能

为探讨混杂结构与破坏机制关系。本文研究了在铺层数目相同时,4组二维三轴编织碳纤维/玻纤纤维混杂层合复合材料受到低速冲击后的冲击性能。实验结果表明,在相同铺层数目情况下,编织混杂层合复合材料冲击后表面产生裂纹均比纯碳纤或纯玻纤编织层合复合材料多,且正面裂纹纵向扩展范围较大,而背面裂纹横向扩展范围较大;碳纤+玻纤+碳纤编织层合复合材料单位厚度吸收的能量比纯碳纤编织层合复合材料提高7.61%;玻纤+碳纤+玻纤编织层合复合材料单位厚度吸收的能量比纯玻纤编织片层合复合材料提高2.21%;编织混杂层合复合材料冲击后在厚度方向产生的损伤扩展较少;编织层合复合材料在低速冲击作用下不易分层,通过合适的铺层方式及纤维组合能够实现正的混杂效应,并能有效改善材料的抗冲击性能。     

碳/芳纶混编三维编织复合材料拉伸性能

为分析三维编织复合材料拉伸性能和失效机制,分别以碳纤维和芳纶纤维为轴纱和编织纱织造了三维五向、三维六向碳/芳纶混编复合材料。采用数字图像相关法采集试样在单轴拉伸过程中表面全场应变信息得到的泊松比。结果表明：三维编织复合材料泊松比受编织结构的影响较大,同种编织结构下,碳纤维为轴纱的复合材料基本保持了碳纤维三维编织复合材料的拉伸强度和模量,同时提高了断裂伸长率;芳纶纤维为轴纱的复合材料则显著提高了断裂伸长率,但拉伸强度和模量损失较为明显;同种混编方式下,三维五向编织复合材料的拉伸强度和拉伸模量较三维六向高,断裂伸长率无明显差异。编织纱分别为碳纤维和芳纶纤维的三维编织复合材料高应变区分别类似点阵分布和波浪线分布,三维五向和三维六向编织复合材料高应变区分别呈均匀分散分布和横向分布。     

复合材料梁结构的成型及弯曲特性

三维立体编织是复合材料增强结构成型的一项十分有效的方法。本文介绍了一种新的编织技术，即利用角轮和拨叉装置控制载纱锭，使其在平面内以设定的路径和方式运动，达到立体编织的目的。由该技术编织工字形截面的纺织结构预制件，经树脂的注入和固化，使之成为梁状复合材料试样。弯曲测试结果表明：工字梁的断裂失效部位为压缩面；纤维体积含量和纤维取向角对梁的弯曲强度和弯曲模量有着不同的影响．     

三维管状编织复合材料的弯曲性能研究

以1 200 tex的E型玻璃纤维为原料,采用3DB-J100-8型模块化组合三维编织平台制备三维四向、三维五向管状编织物;以E51环氧树脂、H023聚醚胺组成树脂基体,与上述编织物复合制成三维管状编织复合材料;利用Instron 3385H型万能材料试验机测试并观察材料的弯曲性能,研究编织结构、编织角等结构参数对三维管状编织复合材料弯曲性能的影响规律。结果表明:三维管状编织复合材料破坏特性均表现为明显的脆性破坏;三维五向管状编织复合材料的抗弯性能明显好于三维四向管状编织复合材料;三维管状编织复合材料的弯曲性能均随编织角的增大而增加。     

Quasi-static compression and compression–compression fatigue characteristics of 3D braided carbon/epoxy tube

This study presents an experimental study of the quasi-static axial compression and compression–compression fatigue behavior of a three-dimensional braided carbon/epoxy composite tube. Three kinds of tubes with different braiding angles, i.e. 25º, 35º, and 45º were used to examine the dependence of fatigue behavior on the braiding parameters. Quasi-static compression and compression–compression cyclic loadings were carried out on the braided composite samples. The S–N [stress and number of cycles to failure] curves, strain–N (number) curves, and damage observation were used to evaluate the behavior of the braided tubes under fatigue loading. The test results showed that braiding angle had significant effect on the ultimate compression strength (UCS) and the number of cycles per stress level that the sample could withstand. The tube with 25º braiding angle had the highest UCS while the tube with 45º braiding angle accumulates high number of cycles for the same stress level as compared to other samples. Damage occurred along the braid angle for 25º tubes while matrix crack plus bulging occurred in the tubes with 35º and 45º braiding angles.     

形状记忆复合编织圆管的制备及其热致回复性能

为分析编织角、回复温度对形状记忆编织圆管力学性能与形状回复性能的影响,采用改进的双螺杆挤出工艺制备连续碳纤维/形状记忆聚氨酯复合长丝,通过二维编织技术制备得到编织角为15°、30°、45°、60°、75°的圆管,对比分析了其径向支撑力和形状回复率。结果表明:制备的复合长丝中连续碳纤维被形状记忆聚氨酯均匀包覆,且基本位于复合长丝中心位置;编织圆管的径向支撑力与编织角大小成正比关系,编织角为45°时圆管的形状回复率最高,编织角度越接近45°形状回复率越高;回复温度对形状记忆性能有一定的影响,回复温度越高圆管的回复速率越快,形状回复率越大;该圆管结构具有优异的形状回复率,最高可达96%。     

碳纤维二维编织管状织物的编织工艺

针对碳纤维在二维编织过程中不耐扭折、易受损断纱的问题,通过拉伸性能实验和导纱瓷眼折角磨损实验分析了碳纤维复丝的可编织性能,探讨了纱管在缠绕过程中应注意的问题。在24 锭二维编织机上编织了8 种不同工艺参数的碳纤维管状编织物,研究了编织工艺对织物外观起毛情况及力学性能的影响。结果表明：碳纤维复丝的断裂强度为86.39 cN/tex,断裂伸长率为1.12%,断裂强度远高于其他纤维,但延伸性差;影响碳纤维复丝在导纱瓷眼处折角磨损程度的因素依次为牵引力、折角、编织速度;在编织纱线根数不变的情况下,随编织节距的减小,管状编织物的面密度逐渐增加,起毛现象严重,编织物的拉伸断裂强力降低。     

二维编织包芯绳索的结构与拉伸性能

 针对空间网状可展开天线对高强高模绳索的需求,研制了二维编织包芯结构绳索。采用岛津万能试验机对不同编织工艺参数的试样进行了拉伸性能测试,分析了包芯绳索不同于其他结构绳索的拉伸断裂机制和破坏模式。结果表明：二维编织包芯结构绳索,外观均匀,结构稳定,纤维强力利用率高,可以满足绳索高强高模,低延伸率和轻质的要求;编织工艺参数对包芯绳索的强力和断裂伸长率影响较大,编织角大的编织纱对芯纱包缠紧密,芯纱纤维比例大的绳索可以发挥包芯结构的优势;试样在拉伸过程中,芯纱是主要的承力部分,编织纱对芯纱起到束缚和保护作用。     

等覆盖率变径编织方法

针对鱼雷、炮弹等具有旋转曲面芯轴的编织型保护层覆盖率恒定的问题,提出控制芯轴牵引速度与纱锭转速的比例关系来实现等覆盖率编织的方法。基于对编织物局部结构的分析,建立编织物覆盖率与编织角、芯轴半径和芯轴锥角等编织参数的数学关系模型。首先采用逆解法求解局部编织物编织过程中的牵引速度和纱锭转速;其次应用积分原理将所求速度模型应用到整个编织物,运用MatLab 计算并分析编织点高度、编织角、牵引速度与芯轴半径之间的关系;将所得数据通过Solidworks 软件建立相应的编织物虚拟模型,并对不同部位处织物密度进行对比分析。结果表明,各个部位的织物密度基本一致,证明所建立的数学模型具有可靠性。     

Modeling and analysis of friction in end-face/inner-face circular braiding processes

Friction between yarns could greatly influence braiding processes, especially using carbon/glass fibers. However, as the points of friction are various and traveling all the time, it is quite difficult to measure the total value of frictions. To solve this problem, mathematical models have been developed to predict the friction in two braiding processes of triaxial circular braiding processes, the widely used end-face braiding process and the inner-face braiding process. To analyze the influence of the two braiding processes to the interacted friction between yarns, some definitions and initial conditions were introduced. Based on these conditions, the yarn net, which is formed during the braiding process, was divided into numerous segments. With the geometrical and force equilibrium relationships, each yarn nodes and segments were analyzed. Based on these equations and boundary conditions, the models of two braiding processes were established and solved by Matlab. A practical engineering implementation was shown to verify the validation of the model. The results shows that the inner-face braiding process of braiding process does have a better performance in eliminating the friction than the widely used end-face braiding process.     

三维多向编织复合材料T型梁抗弯应力分析

针对三维多向编织复合材料结构件承载细观结构优化设计的问题,以三维编织复合材料T型梁为对象,对其抗弯性能进行模拟分析。基于细观结构单胞模型,采用刚度体积平均法计算具有不同编织角的三维四向、五向和六向编织复合材料的弹性常数;利用有限元软件Patran/Nastran计算T型梁承受弯曲载荷的应力与应变,分析纤维束交织结构和细观结构参数对T型梁抗弯性能的影响。结果表明,纤维体积含量一定时,三维六向较三维四向、五向编织复合材料的弹性性能更接近各向同性,同时选择比较大的编织角,可提高T型梁抗弯的承载能力。此方法可为异型三维编织复合材料构件细观结构的选型与参数设计可供参考。