二维三轴编织复合材料预压单胞模型建立及其弹性规律数值预测

针对二维三轴编织复合材料预压参数化单胞模型建立困难的问题,结合变形后的预制件模型单元离散数据,采用体素法生成了参数化的单胞模型,同时利用周期三次样条曲线构造了纤维束路径,建立了纤维束任意一点处的材料方向计算方法,以及可以描述非对称透镜形平面曲线的参数方程,然后通过单元切割程序,获得了挤压变形的编织预制件网格模型。结合变形后的预制件单元离散数据,利用体素法生成了在界面上和单胞边界面上均位移连续的参数化单胞模型,分析了不同网格尺寸下有限元模型的收敛性,并验证了模型的计算精度。实验结果表明可利用该模型对实际预压条件下二维三轴编织复合材料的弹性规律进行预测。     

三维机织正交结构复合材料的参数化设计

为给三维机织正交结构复合材料的力学模拟分析提供一种模型,通过观察3层机织正交结构复合材料预制件的细观几何结构,分析其最小重复单元中纱线间的几何位置关系,探讨细观结构中的几何参数与宏观设计参数的关系。在此基础上,利用Pro/Engineer软件对复合材料预制件进行参数化设计,建立三维机织正交结构预制件的通用几何模型。通过对比制得的三维机织复合材料的实际结构与模型结构以及纤维体积分数,验证了该模型的合理性。     

三维多向编织复合材料T型梁抗弯应力分析

针对三维多向编织复合材料结构件承载细观结构优化设计的问题,以三维编织复合材料T型梁为对象,对其抗弯性能进行模拟分析。基于细观结构单胞模型,采用刚度体积平均法计算具有不同编织角的三维四向、五向和六向编织复合材料的弹性常数;利用有限元软件Patran/Nastran计算T型梁承受弯曲载荷的应力与应变,分析纤维束交织结构和细观结构参数对T型梁抗弯性能的影响。结果表明,纤维体积含量一定时,三维六向较三维四向、五向编织复合材料的弹性性能更接近各向同性,同时选择比较大的编织角,可提高T型梁抗弯的承载能力。此方法可为异型三维编织复合材料构件细观结构的选型与参数设计可供参考。     

三维多向编织复合材料T型梁抗弯应力分析

 针对三维多向编织复合材料结构件承载细观结构优化设计的问题,以三维编织复合材料T型梁为对象,对其抗弯性能进行模拟分析。基于细观结构单胞模型,采用刚度体积平均法计算具有不同编织角的三维四向、五向和六向编织复合材料的弹性常数;利用有限元软件Patran/Nastran计算T型梁承受弯曲载荷的应力与应变,分析纤维束交织结构和细观结构参数对T型梁抗弯性能的影响。结果表明,纤维体积含量一定时,三维六向较三维四向、五向编织复合材料的弹性性能更接近各向同性,同时选择比较大的编织角,可提高T型梁抗弯的承载能力。此方法可为异型三维编织复合材料构件细观结构的选型与参数设计可供参考。     

多向纤维缠绕预制件的纤维取向

以一个缠绕循环为基础,建立了多向纤维缠绕预制件中一个体积微元的纤维取向(包括轴向取向、径向取向、环向取向)的计算模型。重点对工艺参数中缠绕角、纤维截面直径、缠绕初始半径等与环向取向和轴向取向纤维体积含量的关系进行了分析研究,并绘制了其关系曲线图。最后计算了轴向取向和环向取向纤维体积含量相等时缠绕角的值。为多向纤维缠绕预制件的结构设计、工艺设计提供很好的理论基础。     

纱线间距对复合材料拉伸性能的影响

为研究纱线间距对编织复合材料拉伸性能的影响,课题组建立了4组纱线间距的芳纶纤维橡胶基复合材料单胞模型;并通过有限元软件对沿经(纬)纱和纤维束交织2种拉伸方向的单胞模型进行拉伸性能仿真分析。结果表明：随着纱线间距的增加基体和增强相的等效应力逐渐增大,且沿经(纬)纱方向拉伸的等效应力小于纤维束交织方向;通过均质化理论计算出复合材料等效弹性常数,弹性模量随着纱线间距的增加逐渐减小,经(纬)纱方向计算的弹性模量平均高出纤维束交织方向21%。     

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%。     

三维正交机织圆管织物的试织及其单胞模型

探讨三维正交机织圆管织物单胞模型的建立方法。通过分析三维正交机织圆管织物经向、纬向和法向断面显微照片,建立了织物细观单胞模型,利用几何模型公式推导建立了织造工艺参数与几何结构特征参数之间的理论关系;计算了每层经纱的厚度、织物层数、织物厚度以及纤维体积含量,并与织物参数实际值进行了对比。结果表明:计算结果与实际值间有良好的一致性。认为:所建三维正交机织圆管织物单胞模型较为合理、有效。     

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。     

基于ABAQUS镀铝碳纤维编织格栅的拉伸性能

为探究镀铝碳纤维平纹编织格栅在大变形条件下的力学行为,采用试验与有限元模拟结合的方法,按照国标GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》使用电子万能试验机对格栅试样进行拉伸性能测试;在Pro/E中建立格栅试样单胞模型,并导入有限元软件ABAQUS中对其进行拉伸模拟,通过试验数据验证仿真分析的有效性。结果表明:镀铝碳纤维平纹编织格栅具有高度非线性;经纬纱交织处容易产生应力集中,最易发生破坏失效;试验数值曲线与仿真数值曲线上升趋势一致且相差较小,验证了格栅模型仿真分析是可行的,为镀铝碳纤维编织格栅的设计及工程应用提供参考。     

三维机织物单元体结构模型的建立

建立了三维机织物单元体的结构模型。织物的结构模型是通过对织物断面的观察及一些基本假设而建立的。在此基础上计算了三维机织物单元体中的纱线长度、接结纱、经纱取向角及纤维体积分数,并将纤维体积分数的理论计算值与测试结果进行了比较,两者吻合较好,这表明本研究建立的三维机织物结构模型是正确的。     

新型三维纺织复合材料预制件织造方法的探讨

简要叙述了三维机织与编织的织造方法,纯三维机织织物强度低,纤维体积含量较小;而纯编织织物虽然轴向力学性能优良,但层间剪切强度及横向的力学性能较差。为克服这两者的缺点而探索一种新的织造方法,即机织与编织结合的方法,对这种新方法做了初步的实验研究,以期推动纺织复合材料这门学科不断向前发展。     

Microstructure analyses and volume fraction model of 3D 6-directional variable cross-sectional cone-shaped tubular braided fabric

The three-dimensional 6-directional variable cross-sectional cone-shaped tubular braided fabric (6DCTBF) has been applied successfully as the components in aerospace craft. The application of cone-shaped tubular braided fabric requires the densification of a small end to ensure ablation uniformity during composite fabrication. In this paper, in order to meet the size and performance requirements for 6DCTBF, a unique yarn-thinning technique used in the braiding process has developed and explained in detail by first analyzing the fiber bundle movement and distribution in modeling. After the yarn has been thinned, different zones are divided according to the constituting method of the yarn in its unit cell. Geometric models are built for different zones to determine the geometrical dimensions and volume fraction variation range. It has been shown that the theoretical model can accurately describe the 6DCTBF and provide a theoretical basis for the design of its structure and properties.     

Geometrical modeling of 3D woven spacer fabrics as reinforcement for lightweight sandwich composites

Lightweight sandwich composites mainly utilize hollow textile preforms as their reinforcement. The production of such structures with desired mechanical properties requires monitoring of its repeat unit weight and fibre volume fraction (FVF) from designing stage itself. In this work, mathematical expressions have been developed using fabric geometrical parameters which can calculate the areal density and FVF of a repeat unit of 3D hollow woven structures. Five samples each of trapezoidal and rectangular spacer configurations were produced with different cell structural parameters and materials to validate the model. It was found that the computed results for both the weight and FVF were in good correlation with experimental results, with prediction accuracy being more than 90% in all cases. It was also found that with increase in the cell dimensions, the FVF of the expanded fabric decreases.     

等覆盖率变径编织方法

针对鱼雷、炮弹等具有旋转曲面芯轴的编织型保护层覆盖率恒定的问题,提出控制芯轴牵引速度与纱锭转速的比例关系来实现等覆盖率编织的方法。基于对编织物局部结构的分析,建立编织物覆盖率与编织角、芯轴半径和芯轴锥角等编织参数的数学关系模型。首先采用逆解法求解局部编织物编织过程中的牵引速度和纱锭转速;其次应用积分原理将所求速度模型应用到整个编织物,运用MatLab 计算并分析编织点高度、编织角、牵引速度与芯轴半径之间的关系;将所得数据通过Solidworks 软件建立相应的编织物虚拟模型,并对不同部位处织物密度进行对比分析。结果表明,各个部位的织物密度基本一致,证明所建立的数学模型具有可靠性。     

基于编织点起始位置及牵拉速度变化的编织角预测模型

针对二维编织过程中起始编织点位置过高或过低以及牵拉速度变化会导致编织角发生阶段性不匀的问题,通过数学建模的方法建立编织角从不稳定状态到稳定状态过程中编织高度和编织角随时间变化的本构方程,并且预测这一过程所需的时间和编织的织物长度。此外,通过带芯编织方法的实验来验证此模型的有效性,实验结果表明此模型能够有效地预测编织角随时间的变化以及编织角不稳定阶段编织的织物长度。     

二维机织复合材料力学分析中的周期性边界条件研究

为了精确地进行二维机织复合材料力学性能的数值分析,需建立单胞模型的准确边界条件。基于周期边界条件理论,提出了简便通用的二维机织复合材料周期边界方程,并给出了周期边界条件下各弹性常数在有限元分析中的求解方法;为验证周期边界条件的正确性,建立了９ 个单胞构成的九宫格结构,取中央单胞作为参考单胞,对不同边界条件下独立单胞的变形和应力分布与参考单胞进行对比。研究结果表明：即使在单向拉伸载荷下,单胞各个边界面也不保持平面状态,而是出现凹凸翘曲变形,即存在边界周期性;通过边界周期性条件,可正确地获得二维机织织物的工程弹性常数。