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。      

复合材料三维编织结构的单元体模型

复合材料三维编织结构技术是国外八十年代发展起来的高新纺织技术。三维编织结构复合材料是一种新型结构形式的复合材料,它具有优良的抗冲击损伤性能、力学性能和耐烧蚀性能。本文讨论了三维编织结构的单元体模型,推导出有关参数之间的数学关系。     

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。     

编织结构复合材料热膨胀特性的实验研究

对二维和三维碳纤维/环氧树脂编织结构复合材料的热膨胀特性进行实验研究, 确定编织复合材料热膨胀系数的各向异性分布特征, 给出其热膨胀特性与纤维编织模式和纤维体积含量之间的相互依赖关系, 分析编织复合材料的热膨胀机理, 表明其热膨胀系数的可设计性, 为设计复合材料零膨胀结构提供实验依据和理论分析。     

编入光纤后的3-D编织复合材料结构的力学建模

对于埋入光纤后的3-D编织复合材料结构进行了力学建模,介绍了光纤埋入编织材料结构的编织方法、工艺和走向,构建了含光纤部分编织复合材料结构的内胞模型,分析了光纤与纱线及内胞的相互几何关系,并采用多元变分法建立含光纤3-D编织复合材料结构的本构关系,理论计算结果与实验结果的相一致验证了光纤编入3-D编织复合材料结构中提高检测结构内部参数方法的可行性。      

工艺及编织参数对三维编织复合材料性能的影响

利用真空浸渍法和RTM工艺分别制备了不同的三维编程碳／环氧复合材料，研究了工艺条件和编织参数对复合材料力学性能的影响，分析了其不同的失效方式，并利用扫描电镜观察分析了弯曲断口。     

含纤维束截面形状变化的三维编织复合材料细观模型及刚度预报

基于实验观察和理论研究, 重点分析了材料内部区域纤维束的空间构型, 建立了一个新的三维实体细观结构模型, 并指出了编织工艺参数和模型细观结构参数之间的关系。该模型较真实地反映了纤维束之间的相互挤压变形方式, 纤维束横截面积沿纤维束轴向不断变化, 更符合三维四向编织复合材料的实际结构。基于刚度体积平均及柔度体积平均混合思想, 建立了相应的刚度预报模型。用该模型计算编织复合材料几何特性及工程弹性常数的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, 为进一步研究三维编织复合材料的拉伸强度及破坏机制提供了基础。     

三维编织复合材料力学性能的实验研究

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反作用失效问题奠定了实验基础。     

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。      

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。     

碳纤维三维编织复合材料的结构对拉伸和弯曲性能的影响

研究了碳纤维四步法三维四向、三维五向编织结构复合材料的拉伸和弯曲性能,以及结构参数-编织角的变化对其拉伸和弯曲性能的影响,并与层合复合材料作了对比性研究.结果表明,三维编织复合材料具有良好的力学性能,其拉伸强度可达810MPa、拉伸模量可达95.6GPa,弯曲强度可达829.03MPa、弯曲模量可达67.5GPa.同时,编织角和编织结构对复合材料性能有较大的影响.随着编织角的增大,复合材料的拉伸、弯曲强度和模量均减小;三维五向结构的拉伸、弯曲强度和模量均高于四向结构;在纤维体积含量相近的情况下,通过对编织角的设计,可以设计三维编织复合材料的性能.     

Finite Element Analysis of Mechanical Properties of 3D Four-Directional Rectangular Braided Composites Part 1: Microgeometry and 3D Finite Element Model

Based on the microstructure of three-dimensional (3D) four-directional rectangular braided composites, a new parameterized 3D finite element model (FEM) is established. This model precisely simulates the spatial configuration of the braiding yarns and considers the cross-section deformation as well as the surface contact due to the mutual squeezing in the braiding process. Moreover, it is oriented in the same reference frame as the composites, which coincides with the actual configuration of 3D braided composites and facilitates the analysis of mechanical properties. In addition, the model investigates the relationships among the structural parameters, particularly the braiding angle and the interior braiding angle, which were not taken into account in the previous models. Based on the parameterized FEM, the structural geometry of the composites is analyzed and some conclusions are drawn herein. Good agreement has been obtained between the calculated and measured values of the geometric characteristics of braided composite samples.     

Geometric mapping of yarn structures due to shape change in 3-D braided composites

The internal yarn structure in 3-D braided preforms possesses a certain topological character which is unique to the braiding method used. Hence, preforms of different shapes but braided by the same method have topologically similar yarn structures. This unique property offers the possibility that the yarn structure in preform of one shape may be geometrically mapped to that in another shape, and vice versa.

This study discusses a geometric mapping methodology, the objective of which is to obtain the appropriate mapping which analytically links the yarn structures in two preforms of different shapes; if the yarn structure in one preform is known, the yarn structure in the other can be determined by the derived geometric mapping.

Two broad classes of mapping are discussed. The first concerns mapping between two preforms that are braided directly in two different shapes; the second concerns mapping between the initial and final shapes of one single preform which is deformed after braiding. In each case, the mathematical forms of the desired mapping functions are obtained, satisfying the geometric constraints imposed by the internal yarns in the respective preforms. The determined mapping functions are then used to investigate the braidability and/or deformability of the considered preforms. Specifically, limiting windows for the braiding parameters that insure the braidability and/or deformability of the preforms are obtained using the appropriately derived mapping functions.

The 4-step 1 × 1 braiding method is used throughout this paper to illustrate the general mapping procedure; rigorous and explicit geometric relationships are derived leading to mapping functions between preforms of rectangular and curvilinear cross-sections. Numerical examples involving mapping between preforms of rectangular and tubular cross-sections are investigated in detail, along with examination of the preform braidability and/or formability.     

用共编纱制备热塑性复合材料

介绍了一种制备增强纤维/热塑性纤维混杂纤维束的新方法——共编法,通过改变编织工艺参数、纤维丝束大小、纤维种类、编纱和轴向纱的数量等制备了一系列GF/PP共编纱。以此共编纱,成功地制备出GF/PP复合材料板材,并研究了成型压力、成型温度以及保温时间等对复合材料的预浸及板材质量的影响;同时,对增强纤维种类、丝束大小及其含量等对复合材料中空隙含量的影响也进行了研究;采用圆形模型探讨了GF/PP共编纱中树脂对玻璃纤维的预浸过程,提出了影响预浸效果的主要因素。