三维编织复合材料的细观结构与力学性能

归纳、梳理了三维编织复合材料细观结构表征方面较有代表性的单胞模型,分析、比较各结构模型的优缺点,从理论分析与试验测试两方面总结三维编织复合材料刚度和强度性能的研究成果与进展,探讨了细观结构表征与力学性能预报中存在的主要问题,并展望今后的研究重点与发展方向。     

三维五向编织复合材料工字梁弯曲性能研究

对四步法三维五向编织工字梁结构的弯曲性能进行了数值分析和实验研究。首先根据三维五向编织复合材料细观结构模型对材料进行刚度预测,讨论编织参数对材料性能的影响;在此基础上,将预测得到的单胞力学性能应用到宏观结构上,建立三维五向工字梁有限元模型,对其弯曲性能进行数值分析;最后采用RTM工艺制作工字梁试件进行四点弯曲试验,将结果与有限元计算结果进行对比。结果显示,编织参数的变化对三维五向编织复合材料的性能有着较大影响,有限元分析结果与试验结果基本一致。     

2.5维编织结构纤维体积含量的数值计算

2．5维编织是近年来发展起来的一种新型编织技术，有着较广阔的工程应用前景。本文以最典型的2．5维结构为例，讨论了该种结构的单元体模型．推导出了单元体内纤维体积含量的计算公式，并用实验对计算数值进行了验证，最后指出了该计算方法的应用范围。     

三维机织弯交复合材料细观结构研究及弹性性能分析

本文对三维机织弯交复合材料的细观几何结构进行了深入的研究，采用了椭圆形纤维束截面假设，详细研究经纱纤维束在织物表面与内部的不同。建立了一种新的三维机织弯交复合材料力学分析模型，并在此模型的基础上对其弹性常数进行了预测，讨论了结构参数和几何参数对三维机织弯交复合材料弹性性能的影响。通过实验值和理论预测值的对比，表明了分析方法的正确性。     

三维编织技术及管状三维编织物的编织

本文简要介绍了三维（３Ｄ）编织技术的发展情况、特点和３Ｄ编织物的性能,也介绍了管状３Ｄ编织物的编织过程。     

三维全五向编织复合材料的弯曲性能研究

以无碱玻璃纤维为原料,采用四步法1×1编织工艺在全自动模块组合式编织平台上制备三维五向及全五向编织物;以E51环氧树脂、70#固化剂(四氢邻苯二甲酸酐)为树脂基体,与编织物复合制备三维五向及全五向编织复合材料;利用Instron万能材料试验机对比测试上述编织复合材料的弯曲性能,研究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对材料弯曲性能的影响。结果表明,编织复合材料的弯曲性能随着编织角的增加而减少,随着轴纱、纤维体积分数的增大而增加;三维全五向编织复合材料的弯曲性能明显好于三维五向编织复合材料。     

开孔与螺栓加载的三维五向编织复合材料剪切破坏模式

本文研究了开孔和螺栓加载对三维五向编织复合材料剪切性能的影响。制备了4种样品:无孔编织件、机械开孔无螺栓加载的编织件、机械开孔且分别螺栓加载5次和10次的试件。结果表明:机械开孔只是造成孔边纤维的切断,没有发现其它明显的损伤;螺栓加载不会明显影响材料的剪切性能。材料的破坏模式为:在试样纵向截面内,裂纹的扩展区域成扇形,在纵向截面中裂纹区域长度沿着厚度方向从表面到中部逐渐缩短。三点弯剪切测试后,没有产生明显的分层破坏。在试样表面裂纹主要沿着纤维束编织角方向,而在试样内部裂纹主要沿着厚度方向和纤维束取向方向。     

三维五向编织玻纤/碳纤环氧树脂混杂复合材料冲击性能和冲击后弯曲性能研究

该文研究了三维五向玻纤/碳纤编织混杂复合材料的冲击性能和冲击后弯曲性能,对试样分别进行了落锤冲击试验和三点弯曲试验。研究表明,通过落锤冲击试样发现,冲击后冲击面的损伤比背面的损伤低,冲击背面裂纹主要沿纵向扩展;通过弯曲性能测试得出碳纤维的加入使玻璃纤维复合材料的弯曲模量提高;当轴纱排布为CF∶GF∶CF时,混杂复合材料的抗冲击性能最好,材料的抗冲击性能与混杂方式有关。     

2.5D编织结构纤维体积含量的数值计算

2.5D编织是近年发展起来的一种新型编织技术,有着较广阔的工程应用前景.本文以最典型的2.5D结构为例,讨论了该种结均的单元体模型,推导出了单元体内纤维体积含量的计算公式.并用实验对计算数值进行了验证,最后指出了该计算方法的应用范围.     

三维编织复合材料平均刚度的研究

研究了三维编织复合材料的细观结构,建立了局部剖切模型,模型较好地表征了编织预形件及其复合材料的细观结构。由于复合模压会改变复合材料的细观结构,从而使编织角发生变化,这一变化会直接影响到复合材料的刚度计算。运用所建模型并考虑单元体积比例因子,以加权法算出复合材料的平均刚度,数值结果与拉伸试验数据较吻合,可运用于工程计算。     

编织形式对三维全五向编织复合材料拉伸性能的影响

本文以玻璃纤维为原料,采用全自动模块组合旋转法三维编织平台制备1×1,1×2,1×3,2×2等四种三维全五向编织物,并分别与环氧树脂基体复合,制备三维全五向编织复合材料。借助Instron万能材料试验机测试上述四种材料的拉伸性能,探讨编织形式对材料拉伸性能的影响。结果表明,1×1编织结构形式的拉伸性能最好,1×3编织结构的最差;1×2编织结构形式的单纱强力利用率最高,1×3编织结构的最低。     

变换反应的数值计算及模拟分析

介绍变换工艺操作条件控制的重要性,提出了通过对化学平衡常数Kp,平衡变换率Xp的数值计算,得出变换反应最适宜温度Tm;通过对AspenPlus软件中RGibbs反应器的应用,对变换反应进行模拟,以优化生产工艺,为变换工艺操作条件的合理选取提供依据。     

2.5D编织复合材料弹性性能的分析和实验验证

研究2．5D编织细观结构,分析了其单元体模型,建立了2．5D编织复合材料弹性性能分析预报模型。研究了2．5D编织物的复合成型工艺,制作试件并通过实验值与理论预测值的对比,验证了该方法的正确性。     

新型三维多层管状编织复合材料的制备及压缩性能研究

本文采用针织和编织相结合的工艺制备了一种新型三维多层管状编织复合材料,研究了该结构材料的轴向及径向压缩性能,探讨了影响材料压缩性能的因素。结果表明,三维管状编织复合材料受到轴向和径向压缩作用力时,其载荷位移曲线规律一致,均表现为"先增加后下降"的趋势,且这种材料线性粘弹性显著,抗压性能优良;轴纱的加入,使得结构材料的轴向承压能力增强,而径向承压能力下降。本文研究结果对于该类结构材料的设计与应用具有极好的指导作用。     

三维编织压电陶瓷基复合材料有效电弹性性能有限元分析

基于三维编织预制件的细观结构,建立了三维编织压电陶瓷基复合材料位移-电耦合场有限元模型,利用电弹性场体积平均思想和有限元方法研究了周期分布三维编织压电陶瓷基复合材料的有效电弹性性能。通过对代表性体积单元施加位移载荷和电载荷边界条件,预测了不同纤维体积分数下三维编织压电陶瓷基复合材料的有效弹性常数、压电常数和介电常数。计算结果表明,三维编织压电陶瓷基复合材料可显著改善压电陶瓷的整体力学性能,且保持了较好的电学性能。     

二维编织理论研究进展

一方面从运动学法和有限元法两个角度综述了二维编织工艺理论的研究进展,另一方面总结了纤维束假设截面椭圆形、透镜形、扁平六边形的研究过程,对各种方法建立的二维二轴编织结构和三轴编织结构的单胞研究进行了综述。最后对研究建立单胞时需要考虑的问题提出了建议。     

编织结构复合材料力学性能的测试与分析

对四步法三维编织复合材料的拉伸、压缩和弯曲等性能进行了实验研究,得到了该材料的主要力学性能参数及破坏规律.实验结果表明:三维编织复合材料具有良好的力学性能,而编织工艺和编织结构对复合材料的性能有较大的影响.这些结果为进一步研究复合材料的强度失效问题奠定了实验基础.     

二维二轴编织铺层复合材料细观几何模型及拉伸模量的一种计算方法

建立了一套工程实用的二维二轴2×2编织结构的单层和多层的细观几何模型及拉伸模量的计算方法,分析复合材料的细观结构特征,考虑了编织纱束的实际横截面形态和屈曲起伏,还有实际编织工艺和成型固化,提出了单层和多层结构复合材料的细观几何模型,基于细观分析,建立了单层和多层二维二轴编织铺层复合材料等效力学模型和拉伸模量的计算方法,最终计算数值结果趋势上与实际情况一致,在具体数值上吻合度很好,表明该方法实际有效可行。结论表明,建立的细观几何模型能很好地表达单层和多层二维二轴2×2编织复合材料的结构特征,等效力学模型能够很好地反映复合材料的拉伸行为,建立的拉伸模量预测方法能够很好地导出拉伸模量。     

三维编织预制件单胞模型的参数化

应用Pro/E的3D实体建模功能建立了三维整体编织预制件的单胞模型,包括内部单胞、表面单胞和棱角单胞。模型中真实反映了纤维尺寸和纱线走向。基于编织工艺参数间的关系,在Pro/E中实现了参数化设计,不同编织角下的各种单胞模型可自动生成。作为三维编织预制件中的周期排列微观结构,参数化单胞的建立为进一步研究三维整体编织复合材料的性能提供了便于应用的理论分析模型。