三维机织空芯结构复合材料的研究

众所周知，二维织物增强的复合材料有层间强度差的问题，为从根本上提高其损伤害限和可靠性，就需要提高材料厚度方向的整体性，三维机织空芯预制件应运而生。本文通过大量理论研究与织造实践，论述了三维机织空芯织物的整体织造技术、结构设计及复合工艺，为批量化生产奠定了基础。     

三维机织结构设计和织造技术的研究

本文通过对三维机织工艺的研究,探索三维机织的结构和三维机织结构的设计方法以及三维机织物织造工艺技术.     

三维机织复合材料的织造技术

三维机织复合材料性能与增强体结构密切相关，而增强体结构由织造工艺决定。本文将重点阐述三维机织的织造工艺的种类及其特点，并对VABTM做简要介绍。     

三维机织复合材料的力学性能

本文介绍了三维机织复合材料预形件的制造工艺及其复合材料的力学性能。并指出三维机织复合材料有优良的能量吸收能力和损伤容限。     

三维机织复合材料力学性能分析与研究

通过对三维机织复合材料几何细观结构的研究,分析了三维机织复合材料的力学性能,采用椭圆形纤维束截面假设并结合实际的纱线形态建立了一种新的三维机织复合材料力学模型,对三维机织复合材料的拉伸、压缩和层间剪切强度进行了理论分析,并与实验结果进行了对比,验证了力学模型的正确性。     

三维机织热塑性复合材料新工艺的开发

为了解决三维机织热塑性复合材料中三维机织预型件的织造和热塑性基体浸入预型件这两大难题,开发了制备三维机织热塑性复合材料的新工艺,即微编纱的编织-用微编纱织造三维机织预型件-复合固化成型.该工艺的创新点是利用微编纱来织造三维机织预型件,然后复合成型.对微编纱的性能做了基本的介绍,主要探讨了三维机织预型件的织造及复合成型工艺,为日后三维机织热塑性复合材料的生产加工开辟了一条新的途径.     

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。     

树脂基三维机织复合材料拉伸失效模式研究

树脂基三维机织复合材料试件在拉伸过程中,较多试样出现两个断口,其中一个断口出现在夹持过渡段,且呈明显的压缩失效特征。采用显式有限元计算及应力波理论分析方法,对试件断裂后的瞬态位移及应变响应开展了研究,结果显示拉伸断裂后应力波在远端夹持端引起的压缩应变大于静态压缩失效应变,从而导致在夹持端发生二次失效。该结论对采用ASTM D3039开展三维机织复合材料拉伸试验时的有效破坏模式提出了修正建议。     

三维正交机织复合材料弹道侵彻有限元模拟

测试复合材料弹道侵彻性质,得到复合材料弹道侵彻过程中子弹的入射速度和剩余速度及冲击破坏形态。基于复合材料的真实细观结构,建立细观结构模型,运用商用有限元软件ABAQUS/Explicit计算复合材料弹道侵彻破坏过程。研究发现三维正交复合材料不同破坏机制:三维正交机织复合材料不产生冲击分层,纤维断裂和基体开裂是主要吸能模式,复合材料冲击破坏是最主要的破坏模式。     

二维与三维机织复合材料的力学性能实验研究

通过对超厚三维正交机织复合材料及二维机织层合板分别进行拉伸和压缩实验，研究比较两复合材料刚度和强度特性的差异；研究发现无论是三维机织材料的拉、压，还是二维层合板的拉、压的应力一应变曲线都可近似为直线关系，而且具有脆性破坏的特点；三维复合材料的拉、压强度要高于二维层合板，是由于不同的增强相结构及纤维含量造成；不同的破坏模式对材料强度影响很大。     

三维正交机织玄武岩/芳纶混编复合材料的拉伸和剪切性能研究

本文设计和制作了两种混杂模式的三维正交机织玄武岩/芳纶混编复合材料,分别是层间混杂和层内混杂模式。对其拉伸性能和剪切性能进行了测试和分析,结果表明,层内混杂复合材料的拉伸性能和剪切性能比层间混杂复合材料的好,层内混杂复合材料的归一化强度和归一化模量分别比层间混杂复合材料的高22.12%和16.9%,层内混杂复合材料的剪切强度和剪切模量分别比层间混杂复合材料的高19.61%和26.03%;对于层间混杂复合材料,纬向的归一化强度比经向的高4.06%,但厚度方向上纱线的存在和织造工艺中经纱预加张力的影响,使纬向的归一化模量比经向的降低11.44%。     

三维正交机织铜丝／玻璃纤维层间混杂复合材料的拉伸和弯曲性能研究

本文设计和制作了两种层间混杂结构的三维正交机织铜丝／玻璃纤维复合材料,分别为铜丝单面混杂和双面混杂复合材料。两种复合材料的拉伸性能和弯曲性能测试结果表明,单面铜丝／玻璃纤维混杂复合材料的归一化拉伸强度和模量分别为1214MPa和83GPa;高于双面铜丝／玻纤混杂复合材料44％和51％。单面铜丝／玻璃纤维混杂复合材料的归一化弯曲强度为964NPa,高于双面铜丝／玻纤复合材料27％。两者的弯曲模量比较接近,均为60GPa左右。由于铜丝的混杂效应,三维正交机织铜丝／玻璃纤维层间混杂复合材料的拉伸和弯曲性能与相同结构的玻璃纤维复合材料相比有一定的下降。     

三维正交机织复合材料弹道冲击实验及破坏模式

本文用钢芯弹对三维机织复合材料作弹道冲击测试。得到了弹体的入射速度和剩余速度,比较了常见几种材料的弹道性能评价参数的差异,并考察侵彻破坏模式和靶体最后的损伤破坏形态。在300-800m/s冲击速度范围下观测了材料的冲击破坏形态,发现机织复合材料受弹面和子弹出射面破坏形态不一样,受弹面主要是以纤维的压缩、剪切破坏以及基体开裂为主,出射面以纤维的拉伸、厚度方向的纱线断裂为主要破坏模式。通过对破坏模式和形态的分析,可以帮助建立更加准确的破坏准则,从而在设计抗弹材料时起到一定的作用。     

考虑界面层影响的三维机织复合材料单胞模型研究

三维机织复合材料具有较高的面外性能和抗冲击性能,已经被应用于航空发动机的风扇叶片和包容机匣。三维机织复合材料的破坏通常由纤维和基体间的界面开裂起始扩展到基体开裂,最后导致纤维失效。要模拟三维机织结构的真实损伤失效过程,必须考虑界面层的影响。常见的三维机织结构模拟方法把界面层的性能作为基体性能的一部分作均一化考虑,通过反向拟合实验数据来确定基体与界面层的平均性能。该方法的主要不足在于不同的机织结构拟合出的平均基体和界面层性能相差较大,无法用统一的材料参数比较准确地预测不同机织结构的失效模式和力学性能,预测能力有限。为更好地模拟界面失效的影响,有些研究在纤维束和基体之间手动引入一定厚度的界面层单元,但界面层单元的厚度牺牲了纤维的直径,且为连接纤维和基体相邻表面的不同网格,界面层单元需要很密集的网格,大大降低了计算效率。本研究通过自主开发的工具软件在纤维束和基体之间自动引入一层零厚度的界面单元,可以更真实地模拟三维机织结构的界面层破坏模式和对整体失效的影响。本文介绍了新方法的建模思路并研究了有限厚度界面层和零厚度界面层中的参数变化对预测结果的影响。研究了不同界面处理方法对单胞性能预测结果的影响,比较了不同处理方法的优缺点。     

三维机织复合材料单胞模型各向异性的有限元分析

使用三维绘图软件Pro/E绘制出三维浅交弯联机织复合材料数字化结构模型,借助大型有限元分析软件ANSYS模拟单胞模型承受不同方向压缩载荷作用下的力学性能。探究在不同方向的压缩载荷作用下复合材料单胞模型的应力分布情况,并借此分析复合材料单胞模型的各向性能;以承受X方向压缩载荷的单胞模型为例,分析复合材料中纤维与树脂的受力情况。结果表明:三维机织复合材料受到压缩载荷时,表现出明显的各向异性,表现为X方向压缩性能最好,Z方向压缩性能最差;纤维作为主要承载体,承担较多载荷作用,树脂作为次要承载体,承担较少载荷作用。     

三维角联锁机织复合材料三点弯曲疲劳的细观结构效应

依据层层接结三维角联锁机织复合材料的结构特点,建立能真实反映细观结构特征的大型精细实体几何结构模型;基于非弹性滞后能疲劳破坏准则,用有限元法计算三维角联锁机织复合材料在三点弯曲低周交变循环载荷下的变形和刚度降解,揭示疲劳过程中三维角联锁机织复合材料内部应力分布特征和变形特征,分析纱线与树脂的破坏机理,阐述该复合材料在循环载荷下发生疲劳破坏的结构效应。结果表明,经纱在疲劳过程中承担大部分的载荷,且不同的组分呈现不同的破坏扩展过程。本文研究结果和研究方法将可进一步扩展至三维机织复合材料工程结构设计。     

三维机织间隔复合材料结构对其力学性能的影响

以玻璃纤维为原料,设计3种不同结构的三维机织间隔织物,采用手糊成型工艺制备三维机织间隔复合材料,研究了其在压缩、剪切、弯曲等载荷作用下的力学特性,并分析了材料结构对其力学性能的影响。结果表明,相同高度(20 mm)、相同间隔(30 mm)的3种三维机织间隔复合材料的压缩强度和剪切强度均表现为:三维纤维间隔复合材料<"X"型间隔复合材料<三维织物间隔复合材料,其压缩强度分别为0.52,0.72,1.66 MPa,剪切强度分别为0.22,0.28,0.36 MPa;3种三维机织间隔复合材料的弯曲强度基本相同,均为4.30 MPa左右。     

层层接结三维角联锁机织复合材料的三点弯曲疲劳破坏

本文主要研究一种层层接结三维角联锁机织复合材料在三点弯曲交变循环载荷下的疲劳破坏与失效模式,以此阐述材料破坏的结构特征。在不同应力水平下对材料施加正弦波式应力进行三点弯曲疲劳实验,得到材料疲劳寿命(S-N)曲线,说明材料寿命与施加载荷之间的关系,随着应力水平的增加,材料的疲劳寿命呈现下降趋势。此外,观察材料的典型疲劳破坏模式,发现破坏主要集中于经纱屈曲起伏的最大曲率区域,应在结构设计中予以重点关注。     

三维机织结构在织造过程中的理论与实践

拜读了<玻璃纤维>2002年第2期所载由张立泉等四位工程师撰写的<三维机织结构设计和织造技术的研究>一文后很受启发.本人在所服务的单位曾经组织生产过一批三维结构的织物销往美国.这批外销任务在实际织造过程中无论在理论上还是在实践中都碰到过许多难题,我在这里把所碰到一系列问题作一个简单的回顾,供同行们参考.     

高性能复合材料用机织2.5D织物的结构设计与织造工艺

设计加工了2种不同结构的机织2.5D织物,研究了机织2.5D织物的结构工艺参数设计、织物的微观结构、织物纤维体积含量计算和织造工艺。选择具有代表性的2种不同结构的机织2.5D织物进行了研究,随着高性能复合材料应用领域的扩展还需加强机织2.5D织物多种结构、多种高性能纤维增强的复合材料力学性能的测试研究。