三维正交机织物参数对纤维体积含量的影响

三维机织物设计的一个目标是满足要求的纤维体积含量。通过分析三维正交机织物单元体的结构,可以计算经纱、纬纱和捆绑纱的截面尺寸,建立纤维体积含量与织物参数间的关系。实际制织了一块6层经纱、5层纬纱的玻璃纤维三维正交机织布,测试了经纱、纬纱、捆绑纱以及织物的纤维体积含量,并与理论计算值进行了对比,分析了产生误差的原因。最后,分析了织物参数对纤维体积含量的影响,发现经纬纱粗度比的增大或间距比的减小,将使经纱和织物的纤维体积含量增大,纬纱的纤维体积含量减小;捆绑纱的引入,降低了经纱、纬纱和织物的纤维体积含量。      

三维机织结构的几何模型

根据三维机织结构中纱线系统的组成和相应纱线的几何形态,建立了具有普适意义的几何模型,获得了组成三维机织结构各纱线系统在一个结构单元内的纱线长度和取向角,进而计算出纤维体积分数。随后,选择了基于11种不同接结组织的三维机织复合材料试样,测试了试样的纤维体积分数,所得的测试结果与模型输出的预测值有很好的一致性。利用所建立的模型还定量讨论了接结组织对纤维体积分数和取向角的影响。结果表明:分层接结可以提供比正交接结高的纤维体积分数;而正交接结中接结经具有较大的取向,有利于增强三维机织复合材料在厚度方向上的力学性能。     

复合材料用机织物非正交本构模型的半球形冲压成型验证

为了描述复合材料用机织物在大变形下由于经纱和纬纱之间角度变化所引起的非线性各向异性材料行为, 前期工作中建立了一个非正交本构模型。利用半球形冲头对复合材料用平纹机织物进行冲压模拟, 并将非正交本构模型和正交本构模型的模拟结果与实验结果进行对比, 对非正交本构模型进行验证, 以充分说明该模型的有效性和正确性。结果表明: 采用非正交本构模型模拟的复合材料用平纹机织物变形后的边界轮廓与实验结果基本一致, 并且剪切角都在实验结果的误差范围内; 而采用正交本构模型, 复合材料用机织物变形后的边界轮廓和剪切角与实验结果相差较大。研究表明, 与正交本构模型相比非正交本构模型能更好地描述复合材料用机织物在大变形下的材料属性。      

平纹织物三维细观几何模型和织物防弹实验的有限元模拟

建立了平纹织物的三维细观几何模型,利用LS-DYNA有限元软件模拟了弹丸冲击的条件下,单层芳纶织物的响应过程。模型的几何形状参考了平纹织物的截面显微镜照片,使建立的模型更加准确,更接近平纹织物真实的结构。纱线模型选用正交各向异性材料,材料参数和失效条件均参考真实的Kevlar织物,并考虑纱线和纱线之间以及纱线和弹丸之间的摩擦。模拟中,通过设定弹丸的撞击速率Vs,得到剩余速率Vr,并由此计算单层织物的弹道极限速率V50。结果表明:织物的变形过程和失效形式在模拟中得到细致的显现,模拟所得结果V50和织物的失效形式与实验结果的一致程度较好。     

平纹织物三维细观几何模型和织物防弹实验的有限元模拟EI北大核心CSCD

建立了平纹织物的三维细观几何模型,利用LS-DYNA有限元软件模拟了弹丸冲击的条件下,单层芳纶织物的响应过程。模型的几何形状参考了平纹织物的截面显微镜照片,使建立的模型更加准确,更接近平纹织物真实的结构。纱线模型选用正交各向异性材料,材料参数和失效条件均参考真实的Kevlar织物,并考虑纱线和纱线之间以及纱线和弹丸之间的摩擦。模拟中,通过设定弹丸的撞击速率Vs,得到剩余速率Vr,并由此计算单层织物的弹道极限速率V50。结果表明:织物的变形过程和失效形式在模拟中得到细致的显现,模拟所得结果V50和织物的失效形式与实验结果的一致程度较好。     

三维正交机织复合材料的单胞模型及应用

根据三维正交机织复合材料的结构特点,在假设纤维束横截面为矩形的基础上建立一种单胞模型,该模型由3组互相正交的纤维与基体组成。首先利用这一模型,推导出纤维体积分数与纤维粗度、机织密度等织物参数的关系式,通过测量单胞单元的单层厚度得到纤维体积分数,计算值和实验值较为吻合。然后在假定纤维和基体均为线弹性材料的基础上,利用材料力学方法推导出了3 个正交方向的杨氏模量表达式,该表达式简单明了,给出了三维正交机织复合材料杨氏模量与纤维和基体的杨氏模量以及纤维体积分数间的关系,算例的计算结果与实验值有良好的一致性,这说明所建立的单胞模型具有合理性。     

三维编织锥体织物的减纱技术

研究了由大端直径开始编织三维锥体织物的减纱技术，包括列向、环向减锭减纱、减细纤维束减纱等多种减纱技术及其组合；分析比较了各种减纱技术对织物结构完整性、操作简便性、机械化编织等方面的影响。减细纤维束减纱技术是特殊的环向减锭技术，具有保持织物结构整体完整、工艺操作简便、纱锭运动可实现机械化等优点，但不同纱束直径纤维编织使织物单元结构构造变得复杂多变。     

正交平面织物球面成型渔网模型的几何分析

为了从理论上表征平面正交织物球面成型后的几何特征, 提出基于坐标变换求解渔网模型的新方法, 确定单层正交平面织物在球面上铺覆成型后的网格位置、 织物剪切变形和纱线弯曲变形。依据弧长不变条件确定方形织物完全包覆球面后的对称面上的网格位置和局部坐标系下中间网格的位置, 利用坐标变换获得中间网格在整体坐标系成型球面上的坐标位置; 根据变形前后的网格形状确定织物面内剪切变形和两个方向纱线的弯曲曲率, 为织物的球面成型性评价提供几何参数。通过实例证明了当网格尺寸远小于球体半径时铺覆变形程度与网格 尺寸无关, 也与球体半径无关。铺覆后织物的剪切变形和纱线弯曲变形分布只与织物在球面上的球坐标位置有关。     

用空间群推导三维编织的几何结构

三维编织复合材料的几何结构和性能研究主要集中在四步法、二步法三维编织,包括以这两种编织方法为基础在不同方向增加增强纱的多向编织方法。本文论述用点群、点阵和空间群推导三维编织几何结构的方法。用编织点群、平移群和点式空间群的矩阵表示对代表性纱线段进行变换,可以推得三维空间纱线交叉几何结构。研究结果表明,用该方法不仅可以验证原有三维编织几何结构的对称性,而且还可以推导出新的三维编织几何结构,为新三维编织方法的开发研究提供了理论支持。     

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。      

编织复合材料的一种数值模型

提出编织复合材料的一种均匀化的数值模型,为工程应用提供了简便而有较高精度的数值计算方法.首先,对于编织复合材料的代表性单胞建立了精细有限元的胞元模型;其次,将单胞有限元分析结果引入基于三类变量广义变分原理的三维体罚单元,从而将一类有细观编织结构的复合材料等效为可用于宏观尺度计算的复合材料单元.通过数值算例将此方法的计算结果与实验和其他数值计算结果进行了比较,验证了该方法的有效性与实用性.     

单层FRP编织网结构的基本力学模型与分析

FRP 大跨编织网结构是一种新型大跨空间结构体系,它由FRP 板条按一定规律编织并通过平面外整体张拉构成,具有很好的建筑效果。此结构体系为柔性构件构成的空间整体张拉结构,有4 个关键受力状态。该文研究圆形环梁、板条中心对称分布的典型的单层FRP 编织网结构,提出了编织网结构力学分析的基本假设和通用力学分析模型,对单层网面进行了平面外整体张拉、全跨荷载工况和半跨荷载工况的理论分析,推导了相应的计算公式,并进行了编织网结构的计算。通过研究建立的FRP 编织网结构的基本力学方程,可分析计算单层编织网的各个受力状态,为FRP 编织网结构的设计计算提供了理论工具。还进行了参数分析,得到了各参数对结构在使用过程中刚度的影响规律,为FRP 编织网结构的初步设计提供了参考。     

蛇形弯管几何参数计算的数学模型

运用图解法，在对蛇形弯管换面投影图进行投影分析的基础上，建立蛇形弯管各节圆柱管的轴线长，夹角及错心角等几何参数的计算数学模型。     

甲虫前翅中的三维复合材料结构

为了设计开发轻量型仿生复合材料,考察了甲虫独角仙成虫前翅的结构,得到了甲虫前翅及其小柱结构的简易模型。观察结果表明: 独角仙前翅为具有以小柱为中空层的夹芯层状三合板结构,这种结构为一种轻量型的复合材料板材;小柱中的纤维通过大于90°弯曲与上层及下层中的纤维连续相连接,这种结构对层状纤维强化的复合材料可以极其有效地提高层间的抗剥离性能。     

三维杆系结构的几何非线性有限元分析

为了更准确地描述杆系结构的几何非线性性能,建立了一种基于三维梁单元有限元分析的计算方法。引入了考虑两方向曲率和扭转角变化的坐标转换矩阵来描述任意增量下的单元平移和转动;采用了包括轴向变形和扭转的非线性项的刚度矩阵来考虑高阶非线性项的影响。应用广义位移控制法进行增量迭代,编制了相应的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D。通过对几个例子进行的分析,验证了该方法可较好地考虑结构几何非线性。     

立体多向编织结构对复合材料性能的影响

本文采用1×1,1×2和1×3三种不同的编织结构对轴向增强和非增强三维多向编织复合材料的性能进行了研究。对编织复合材料的拉伸强度、刚度和弯曲强度、刚度进行了实验分析。结果表明;三维编织复合材料具有良好的性能。编织结构对复合材料性能有较大的影响。纤维表面编织角和纤维体积比是影响复合材料性能的重要结构参数。通过轴向加入非编织增强纤维,使编织复合材料的拉伸强度和模量,弯曲强度和模量有了较大改善。     

NOPD的椭球状散体元建模

提出了能模拟不同颗粒形状的微颗粒组合体的椭球状散体元模型,从理论上解决了椭球单元的接触判断及运动学、动力学问题。采用该模型对NOPD复合阻尼结构进行了动力学计算,计算结果与实验结果具有很好的一致性,为进一步研究NOPD的阻尼机理提供了一种理论分析方法。     

三维机织复合材料的一种梁单元细观力学模型

根据三维机织复合材料中纤维束排列和变形的周期性特点,推导了一种细观梁单元模型。该模型考虑了纤维束的拉 (压) 弯耦合效应和纤维束之间的相互作用,可以描述纤维束和基体中的细观应力分布,并得到宏观的力学性能。针对一种典型的三维机织复合材料,首先根据编织参数,确定其细观几何结构,取最小周期的一段纤维束作为分析胞元,用上述细观梁单元分析了该段纤维束在面内拉伸荷载下的细观应力分布,计算出平均模量, 并用材料试验和细观实体有限元对本模型进行了检验,结果与本文的预测吻合良好。研究表明,拉、弯耦合效应引起的纤维束中的细观弯曲应力同平均轴向应力相比,不可忽略。