三维纵横步进编织预成型件的计算机仿真

针对三维纵横步进编织物的建模仿真问题,基于三维纵横步进编织的基本编织原则,引入编织图对其编织模式进行描述,将编织过程转换为数学置换运算过程,通过计算机模拟纵横步进编织运动,并采用Bézier曲线对纱线运动轨迹进行拟合,利用计算机图形技术对三维编织结构进行显示,获得了一种设计与实现三维纵横步进编织预成型件的计算机仿真方法,从而解决了各种纵横步进编织工艺预成型件的仿真问题。同时针对规则截面以及异型截面的预成型件结构进行了仿真分析,仿真结果表明所提出的仿真方法有效、可行。     

三维编织机虚拟样机研究

利用三维建模软件UG,设计了一种由同步齿形带传动的带"8"字形轨道的三维编织机模型,完成了零部件设计和虚拟样机装配等整台机器的结构设计。这种三维编织机能针对编织预成型件的结构形状、编织角、纱线覆盖因子和纱线体积分数的要求进行快速编织;通过在芯轴上编织的方式,纱线沿三个方向排列,形成三维编织物,其具有相对稳定的结构和良好的力学性能。     

智能复合材料中碳纳米管纱线参数设计及其变化特征

为将碳纳米管纱线传感器嵌入复合材料中, 利用三维编织技术构建了智能三维编织复合材料。针对三维六向编织复合材料编织结构,构建了编织机携纱器运动数学模型;提出了智能复合材料嵌入碳纳米管纱线的数量、长度的计算方法;分析了碳纳米管纱线在承载下的电阻变化特征。实验证明：通过Bezier 曲线计算的碳纳米管纱线长度值与实际长度的误差小于1%;当拉伸应变超过2%时,嵌入的碳纳米管纱线的应力与应变开始出现非线性;试件的加载－ 卸载对碳纳米管纱线的电阻变化具有一定影响,试件承受大负荷卸载后,碳纳米管纱线会产生剩余电阻。     

三维编织复合材料中碳纳米管纱线嵌入位置和数量的优化配置

为解决三维编织复合材料嵌入碳纳米管(CNT)纱线传感器优化配置目标多、目标函数不连续问题,实现航天结构制件内部损伤的全面监测,采用非支配邻域免疫算法对多目标优化问题进行了研究。以四步法三维六向编织工艺为依据,分析了CNT纱线传感器的最佳嵌入位置和数量;通过非支配邻近免疫算法实现了CNT纱线传感器优化配置问题的求解,推导出不同尺寸的三维编织复合材料制件嵌入传感器的最优数量和位置。对损伤制件的应力实验及数据分析证明,CNT纱线传感器优化配置结果适用于三维编织复合材料的损伤监测,损伤定位误差小于0.6 mm。该研究为复合材料损伤源定位模型的建立提供参考。     

创新的五月柱型编织机参数化结构设计

为提高三维编织机的速度、降低其价格,利用三维设计软件Pro/E平台参数化设计思想,创新设计由行星齿轮系传动角齿轮的编织头结构系统,完成了零部件、虚拟样机装配等整台机器的结构设计;给出计算机CAD/CAM集成控制的编织机概念模型。指出:创新的五月柱型编织机的编织系统能针对编织的预成型件结构形状、纱线覆盖和纤维体积比参数要求快速进行编织;编织机无轨道板,传动平稳,能减少摩擦、磨损和振动;编织机灵活度和编织速度大幅提高,且价格相对低廉。     

T形截面三维编织复合材料细观结构分析及弯曲性能预测

根据矩形组合截面三维编织复合材料四步法编织原理,分析了T形截面编织物的纱线运动规律,按照载纱器的水平运动规律确定了纱线的空间运动轨迹,并用控制体积法建立T形截面交接区域的特殊细观结构模型。在假设纱线截面为椭圆形等理想状态下,建立了编织工艺参数之间的数学关系。运用弯曲刚度合成法预测了T形截面三维编织复合材料的弯曲性能,用MatLab编写了弯曲模量的计算程序。结果表明：弯曲模量随编织角的增大而减小,随纤维体积含量的增加而增大,三维五向T形截面梁的弯曲性能优于三维四向的。最后将预测结果与实验结果进行比较分析,结果证实用弯曲刚度合成法预测T形截面三维编织复合材料的弯曲性能是可靠的。     

异型整体结构复合材料预成型件的编织技术

近几年来出现了多种制作整体结构的复合材料预成型件的新型纺织技术,包括机织方法、针织方法和编织方法。其中,编织方法在实现复杂结构方面表现出优于其它方法的灵活性,它能够编织出采用别的方法难以完成的形状,并且满足形状的局部特殊要求。本文着重介绍编织技术制作复合材料预成型件的特点以及制作方法。     

基于碳纳米管纱线扭电能的复合材料损伤监测

为实现航天结构制件内部损伤的全面监测,基于碳纳米管纱线扭电能特征的发现,提出了航天结构制件内部损伤实时监测新方法。采用三维六向编织技术将碳纳米管纱线嵌入到航天复合材料结构制件中,构建了新型的智能三维复合材料;证明了制件内部产生损伤时,内部的碳纳米管纱线捻度发生变化可产生扭电能;采用主成分分析和损伤指数理论对碳纳米管纱线的扭电能数据进行分析。结果表明:三维编织复合材料试件内部的树脂断裂、孔洞和试件的微小裂纹可引起扭电能的变化,碳纳米管纱线扭电能对于试件内部损伤具有很高的识别能力,损伤识别精度达到0.002 mm,该研究对推进航天结构的智能监测具有重要意义。     

基于主成分分析的智能复合材料结构损伤类型识别

针对三维编织复合材料制件结构状态监控的关键问题,提出了基于三维六向编织工艺将碳纳米管纱线嵌入到整体复合材料制件中,构建三维空间结构的智能复合材料的方法,利用损伤指数实现了对智能复合材料制件内部损伤类型的识别,并分析了4组三维六向编织智能复合材料制件的损伤指数表现特征。结果表明:综合损伤指数优于其他3种损伤指数,综合损伤指数可精确识别制件内部损伤的类型;对于三维编织复合材料制件内部空隙类微小损伤,综合损伤指数监测值小于100;对于制件内部裂纹的损伤,综合损伤指数监测值位于300~500;当综合损伤指数监测值大于600时,可判断为试件存在大裂口损伤;基于损伤指数可计算制件内部损伤大小,精度可达到0.073 mm。     

血管支架预制件的六角形三维虚拟编织

为解决六角形三维编织血管支架的编织工艺复杂、开发周期长的问题,提出了基于MatLab编程的支架三维虚拟编织方法,以快速完成编织工艺开发。首先,基于六角形编织机底盘的结构特点,对底盘单元进行坐标数值化,从而可将支架编织的工艺和工序转换为不同时刻下携纱器在底盘上的XY平面坐标和运动信息以及纱线在芯棒上的高度坐标z值,并应用数值计算方法进行连接和拟合,建立纱线空间轨迹的数学模型,得到虚拟支架的三维基本形态。然后,将编织支架的三维形态展开为二维形态,分析二维平铺形态下单向支架沿螺旋方向缠绕的特点,应用线性方程组求解纱线的交织点坐标,并通过层内和层间的纱线交织关系判断得到各交织点的交织类型。最后,通过方程修正得到具有六角形编织特征的纱线波动方程,进一步建立了具有纱线立体交织特征的虚拟支架实体化数学模型。经不同编织工艺的支架虚拟仿真实验,将虚拟支架与其实物进行比较发现,虚拟支架均能准确直观地表达实物的几何特征和交织特征。由此验证了虚拟仿真建模的正确性,有利于六角形三维编织工艺的快速开发。     

Non-destructive infrared inspection of dry multilayer carbon fibre preforms

Thermography was used for performing non-destructive inspection of dry carbon fibre textile preforms used in manufacturing carbon fibre polymer-matrix composites (CF-PMCs). The aim was to probe the feasibility of identifying defects in thick carbon fibres preforms made from multiple layers of industrial textile reinforcements, before composites are manufactured. Inspecting dry preforms will not replace the inspection of final CF-PMC parts but it can avoid costly and wasteful manufacturing of CF-PMC parts from defective preforms, as the defects sought in this paper cannot be observed by visual inspection. The preforms tested were made of two or four layers of industrial carbon fibre textile reinforcements. They featured defects of different widths, types and orientations. Results show that thermography can identify defects in preforms successfully, and that detection is influenced by the orthotropic thermal conductivity of carbon fibres, by yarn and fabric architecture, by the relative orientations of defects and yarns, and by the number of layers.     

三维四向碳/碳预制件微孔板压实致密关键技术

为解决手工编织三维四向碳/碳复合材料预制件层间致密不一致的问题,基于预制件成型技术,建立碳纤维铺放高度与纤维体积含量映射关系,设计等距密排微孔板并提出适用于微孔板的加工工艺;同时为保证预制件压实致密过程中纤维流动性好,采用纤维压缩理论,对等距密排微孔板结构进行优化以降低预制件孔隙率。基于位移-压力双闭环控制策略,研制数字化压实装置,实现预制件密度在线动态调控与无损压纱,保证层间密度一致。为验证压实致密关键技术可行性,进行等距密排微孔板压实实验并对预制件进行形貌观测,结果显示采用优化后等距密排微孔板压实的预制件均匀性更好,较优化前等距密排微孔板压实的预制件孔隙率降低50%。     

传统织机上纤维增强复合材料三维预型件的织造

本文介绍传统织机织制纤维增强复合材料三维预型件的织造原理、方法及步骤。只要将平面的二维织物从织机上取下并打开就是我们想要的三维预型件     

预成型纺织材料用于纤维增强复合材料

研究了利用双针床多轴向经编技术编织生产可反复拉挤的玻璃纤维或碳纤维增强聚合物复合材料（GFC或CFC）的发展和制造状况,并基于优化的挤压成型工艺过程（MVI,挤压和牵拉技术）,对这些预成型材料进行测试,对其用于复合材料的经济适用性进行了评估。     

三维异型整体编织底盘装置的设计

为提高三维异型整体编织的自动化程度进而提高编织效率,通过分析现有的三维异型预制件通用法和混合式样法编织工艺以及可实现异型编织的底盘设备,提出了一种利用步进电动机作为固定式导轨的驱动装置,并结合直流电磁铁在导轨两端中的定位功能,利用DMC5400A 四轴轨迹卡、IOC1280 IO 扩展卡与STM32F103 型微控制器控制实现了多种异型预制件自动编织的底盘装置。通过对编织底盘的结构组成和异型编织的工作过程进行分析测试,结果表明,利用这种底盘装置并结合其控制系统所进行的编织工艺,可实现异型预制件的柔性化织造,具有较好的应用前景。     

经编四轴向玻璃纤维织物的渗透行为和渗透率

为研究经编四轴向玻璃纤维织物的渗透行为同织物结构的关系,采用径向法和单向法对不同铺层数和铺层角度的预制件进行面内渗透率以及单向渗透率的测试,并结合复合材料横截面切片对织物凹凸表面效应对流动的阻碍作用进行分析。采用以体积分数为自变量的经验公式对多层铺层织物的单向渗透率进行预测。实验结果表明：对于低铺层数的预制件,渗透率和纤维体积分数无直接关系,与织物表面在压缩作用下形成的平行于流动方向的流道数量密切相关;对于铺层角度不同的预制件,平行流道数目最多的预制件具有最大的渗透率;经验公式较Kozeny-Carman公式更能准确的预测经编四轴向织物的单向渗透率。     

Structural Analysis of 3-D Braided Preforms for Composites Part II: The Two-step Preforms

In Part I of this series of papers, structures and geometries of the four-step preforms were studied and analysed. In this part, an account is given of similar work conducted on the two-step preforms. Theoretical models for both regular and tubular two-step preforms are established with a few assumptions. Structural geometries of the preforms are analysed and discussed according to the theoretical models developed. Mathematical relations between the structural parameters, such as the fibre orientation, yarn-volume fraction, and preform contour sizes, as well as their dependence on operating conditions, are derived. It is found that the preform structures are determined by the constituent yarns, the braiding arrangements, and the process operating conditions. The extreme values of the parameters in the jamming conditions are also discussed. To verify the validity of the analytical models, experimental investigations were also carried out. The experimental results strongly support the theoretical predictions.     

三维机织预型件的织造技术

纺织复合材料预型件的生产工艺有多种,其生产路径主要由最终用途决定。三维机织物是通过对传统织造原理改进加工而成的。二维机织复合材料是一种由二维织物构成的层合材料,而三维机织复合材料是复杂几何结构的整体构件。三维机织复合材料预型件有许多优点,最重要的优点是它避免了二维层合材料的分层现象。介绍了三维机织预型件的织造方法,为纺织复合材料的开发提供了有益的借鉴。     

蜂窝结构三维纺织品的复合工艺开发

针对具有蜂窝状结构的三维纺织品在复合工艺中存在难以成型、脱模困难的问题,拟采用对传统手糊工艺和真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺进行改进的方法,对这种结构的纺织品进行复合工艺的新开发。在上述2种传统复合工艺的基础上,采用不同材质的支撑物将平面织物塑造成立体结构的蜂窝材料或对树脂注入口的位置、数量进行调整,制备出5组试样。结果表明：采用手糊工艺制成的蜂窝结构复合材料的厚度误差可达60％ 以上,得不到理想的试样;但采用VARTM工艺再结合石蜡作为结构内部支撑材料并采用水浴加热,可成功地制备出蜂窝结构复合材料。