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。     

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。     

二步法方型三维编织复合材料的细观结构

对二步法方型三维编织复合材料的三维五向结构进行了真实的描述与分析。在此基础上划分出边上、角上和内部单元体。通过对复合材料的横截面以及与试件表面成45°的纵切面进行观察,确定出轴纱因受编织纱捆绑挤压产生的形变情况以及轴纱内纤维体积含量。     

三维四步法圆型编织结构分析

三维编织中,编织纱线趋向于沿携纱器运动的方向运动。本文作者根据携纱器的运动规律,采用定义代表性控制域的方法,详细地研究了三维圆型编织中所形成的空间纱线交织结构。在此基础上,获得的预成型件结构单胞模型包含四种内部单胞和两种表面单胞。预成型件的整体结构可由六种单胞组装而成,且单胞的几何特性与其在预成型件横截面内所处的位置有关。单胞与预成型件具有相同的取向,有利于材料的力学性能分析。     

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。      

三维四向编织复合材料的几何建模及刚度预报

提出了四步法三维四向矩形编织复合材料的单胞几何模型, 该模型考虑了空间纤维束的相互扭结和挤压而造成的纤维束弯曲和截面形状变化。基于刚度体积平均思想, 采用微元段直纤维的单向层板刚度分析方法建立了相应的刚度预报模型, 得到了材料的工程弹性常数, 数值结果表明了该模型的有效性;分析了工艺参数和纤维束横截面形状对弹性常数的影响规律, 得到了一些有益结论。     

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。     

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。     

四步法矩形组合截面三维编织物的细观结构

采用控制体积法研究了以四步法编织矩形组合截面三维编织物的特殊细观结构。根据三维编织原理,得到编织物内各区域携纱器的运动规律。从中看出, 除了常规矩形截面三维编织物所具有的内部、棱(外) 角和表面区域外, 矩形交接区域的内部、内角和表面具有特殊的细观结构。分析了矩形组合截面三维编织物所特有的矩形交接区域以及交接内部、交接内角和交接表面的细观结构, 建立了这三个区域的单胞模型。结果表明, 交接区域的内部单胞外形为立方体, 交接区域的内角单胞外形为七棱柱体, 交接区域的表面单胞为五棱柱体。与常规矩形截面的单胞相比, 矩形组合截面在交接区域中, 纱线的空间形态和编织角均存在明显不同。      

三维四向编织陶瓷基复合材料改进模型及刚度预报

基于对三维四向编织陶瓷基复合材料CT扫描结果的观察和理论分析, 参考现有交织模型, 建立了改进的胞元三维实体模型, 较为真实地反映了材料内部的细观结构。模型内部纤维束横截面沿纤维束轴向不断发生形状和面积的周期性变化, 纤维束横截面呈平行四边形、五边形交替变化, 不同纤维束轴线间呈交织关系, 接近材料内部纤维束间打紧后的挤压变形规律。通过测算平均纱线填充因子并配合有限元法获得了纤维束及材料的弹性性能, 与试验结果符合较好。有限元仿真显示在材料单胞内, 纤维束承担主要载荷, 纤维束与基体的某些交界处往往会出现应力集中现象, 可能是发生裂纹扩展及局部破坏的主要区域。该细观应力场的获得也为分析材料破坏机理和强度提供了基础。      

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。      

矩形组合截面四步法二次三维编织及其空间模型可视化

针对矩形组合截面1×1三维编织, 根据其主体纱和边纱的特点, 在四步法和分组编织的基础上, 通过对2组编织纱线依次进行四步法移动, 实现了矩形组合截面四步法二次三维编织算法。根据此算法, 利用Python脚本语言和GUI工具Tkinter编写了纱线运动模拟程序, 分析了纱线运动规律。对纱线中心线控制点做了3次Beta-Splines样条插值, 利用VTK构建了三维编织物的空间可视化模型, 并允许对该模型进行直观的人机交互操作。      

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.