复合材料三维整体编织结构技术与特性

复合材料三维整体编织技术是国外八十年代发展起来的高新纺织技术。采用这种技术,创造了一类新的复合材料结构型式,显著改善了多方面的力学特性。已有的应用表明.这种高新技术与结构型式,可广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、武器装备、体育用品等诸多领域。本文综述了复合材料三维整体编织工艺的特点,三维编织结构物,以及某些优异的特性。     

复合材料三维整体编织结构技术与特性

复合材料三维整体编织技术是国外八十年代发展起来的高新纺织技术。采用这种技术,创造了一类新的复合材料结构型式,显著改善了多方面的力学特性。已有的应用表明.这种高新技术与结构型式,可广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、武器装备、体育用品等诸多领域。本文综述了复合材料三维整体编织工艺的特点,三维编织结构物,以及某些优异的特性。      

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。     

三维编织技术和三维编织复合材料

与层合复合材料相比，三维编织复合材料具有完全整体、不分层的结构，可用于制造结构制件和高功能制件，所以，进一步研究三维编织技术和三维编织复合材料对发展我国新材料具有重要的意义。     

三维全五向编织复合材料的特性及制备

三维编织复合材料是一种先进复合材料,在航空航天等尖端领域的应用越来越广泛。本文分析了传统三维编织复合材料的优势、用途及存在的缺陷和不足,并提出了改进该材料性能的可能途径,即发展一种新的三维全五向编织复合材料。针对三维全五向编织复合材料这种新型的编织形式,提出了几种可能的工艺实现途径,指出用四步法编织是对材料性能影响最小,最可能实现工业化生产的途径。最后,以三维全五向编织法兰为例,对其在制备过程中的材料选择、模具设计及固化工艺进行了详细的讨论。     

三维编织复合材料的疲劳性能

研究了三维编织复合材料的疲劳性能和编织结构对疲劳性能的影响。进行了应力比为011 、实验频率为10 Hz 的拉2拉疲劳性能测试。结果表明, 三维编织复合材料的疲劳强度约为其抗拉强度的60 %～80 % , 比金属材料的疲劳强度的相对值高。编织角是影响三维编织结构复合材料疲劳性能的一个主要因素。随着编织角的增大, 疲劳过程中易出现各种损伤, 而且伴随明显的升温现象。编织角大的试件在疲劳实验过程中模量变化明显, 并且呈现逐渐升高的趋势, 这与金属材料的双模量变化规律不同。在疲劳次数为100 万次后, 试件的剩余强度高于静载拉伸强度, 这主要是由于在疲劳测试过程中, 试件内编织纱线的取向更接近受力方向所致。      

三维编织复合材料拉伸性能试验研究

制定了一套适用于测定三维编织复合材料拉伸性能的试验方法，并结合试验数据，总结了编织参数与三维编织复合材料拉伸性能的关系。     

三维编织碳纤维/环氧复合材料的吸湿特性及外应力的影响

采用真空浸渍法制备了三维编织碳纤维增强环氧树脂(C_3D/ER)复合材料,研究了该复合材料的吸湿特性及外应力的影响。讨论了应力对C_3D/ER复合材料吸湿行为的作用机理。 结果表明,与环氧树脂不同,C_3D/ER复合材料的吸湿行为不能用Fick第二定律描述。外应力可加速吸湿初期复合材料的吸水和力学性能的下降,但可降低复合材料平衡吸湿量和最终力学性能的下降幅度。分析表明,吸湿过程中C_3D/ER复合材料力学性能的高低取决于其吸湿量的大小。     

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。     

三维编织多功能结构复合材料的发展

在某些实际应用中,需要复合材料不仅具有多种功能,例如抗烧蚀、抗冲击、隔热等,而且还能作为结构材料使用,这种复合材料可以称为多功能结构复合材料.在多功能结构复合材料设计中需要按不同的功能应用和力学特性进行分层设计.利用三维编织技术可以实现多功能结构复合材料的分层异形整体编织,为多功能结构复合材料的发展提供了可能性.本文介绍了三维编织复合材料的性能和制作多功能结构复合材料所采用的三维编织技术.      

三维四向编织复合材料的黏弹性能

基于均匀化理论建立了预测具有微观周期性结构复合材料黏弹性能的力学模型。利用此模型并结合有限元法分别研究了纤维束和三维编织复合材料的黏弹性能。通过对计算结果的分析, 给出了三维编织复合材料黏弹性能随工艺参数变化的规律。结果表明, 三维编织复合材料编织方向的黏弹性效应随编织角的增大而增强, 随纤维体积比的增大而减弱, 此规律与实验结论一致。     

Mechanical analysis of 3-D braided composites by the finite multiphase element method

A finite multiphase element method (FMEM), in which the element comprises more than one kind of material, has been proposed to predict the effective elastic properties of 3-D braided composites. This method is based on the variational principle and our previous geometric model that assumes the existence of different types of unit cells in the three regions in a 3-D braided composite, i.e. the interior, surface and corner. The numerical procedure involved two steps. First, a fine local mesh at the unit cell level is used to analyze the stress/strain of each unit cell. Then, a relatively coarse global mesh is used to obtain the overall responses of the composite at macroscopic level. By using the stress volume averaging method, the effective elastic properties of the composite can be calculated under the prescribed uniform strain boundary conditions. Finally, the predicted stress/strain curves are compared with experimental results, demonstrating the applicability of the FME method.     

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有效性能的预报

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征, 建立了比较合理的三胞模型。模型中考虑了3种单胞各自纤维束的空间结构和弯曲, 同时引入纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响。基于刚度体平均方法, 建立了相应的刚度预报模型, 得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数。用细观力学方法分析了工艺参数和尺寸效应对材料有效性能的影响规律。不同尺寸试件的数值预报结果和实验结果吻合较好。      

三维编织复合材料预制体孔隙的几何仿真

根据四步编织法的纱线运动规律及实验观察,结合纱线截面的挤压变形,提出了用数值元分离连续纱线确定其空间形态的方法.借助VC 及SolidWorks软件的参数化图形建模特点,建立了能模拟各种编织参数预制体孔隙实体,计算孔隙体积及其表面积的软件系统.对编织角为25°和35°,主体纱数为2×4和3×3,纤维体积分数为30%和40%的预制体孔隙进行了模拟和计算.结果表明,在其它参数不变的情况下,随着编织角或纤维体积分数的增大,纱线间孔隙的总体积和表面积减小,单位体积表面积增加;预制体孔隙模拟值与体积理论值的相对误差低于5%.孔隙模拟实体清晰地反映了一个组织循环内孔隙的分布和形状随参数变化而改变的形貌.     

三维五向编织复合材料渐进损伤分析的数值方法

基于连续损伤理论, 推导了含损伤裂纹的正交各向异性材料的应力-应变关系。建立了考虑界面脱粘破坏的三维五向编织复合材料细观体胞模型, 并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程。采用Hashin准则和von-Mises准则分别判断纱线与基体的初始损伤, 结合Eshelby-Mori-Tanaka方法确定材料的刚度退化系数。利用ANSYS有限元软件对材料进行渐进损伤分析, 得到了材料在单向拉伸作用下的应力-应变曲线和极限强度。计算结果表明, 轴纱为材料的主要承力部分, 小编织角材料的破坏模式主要为纱线的拉伸断裂, 界面破坏情况较为严重。模拟计算结果与实验结果吻合较好。     

三维编织复合材料热物理性能实验

针对不同编织工艺参数的三维四向编织复合材料,进行了热环境下的热物理性能实验研究,获得了热环境下三维四向编织复合材料的热物理性能变化规律及其分布特征,分析了环境温度和编织角对材料的热膨胀系数(CTE)、热传导系数(CTC)、比热(SH)以及热扩散率(TD)的影响,得到了一些重要结论。这些结果为三维编织复合材料的热物理性能数值分析以及进一步研究材料的热力耦合行为奠定了实验基础。     

Mechanical analysis of 3D braided composites: a finite element model

The analysis of 3D braided composites is more difficult due to its complex microstructure. A new type of finite element method is developed to predict the effective moduli and the local stress within 3D braided composites under the 3D mechanical loading. To verify the present method, the material properties of undamaged 3D braided composites predicted in this paper are compared with the previous work. To demonstrate this method, some examples are analyzed.     

三维编织复合材料悬臂梁的振动特性

基于三维四向和五向编织复合材料的细观结构和单胞模型, 对三维四步法矩形截面编织复合材料悬臂梁的振动阻尼性能进行了理论分析, 研究了编织角、 纤维体积分数等工艺参数对材料振动阻尼特性的影响, 并与实验结果进行了对比。对三细胞模型进行了改进, 采用混合律得到了材料的总体刚度, 进而得到一阶固有频率。此外, 还分别计算了一个周期内不同走向纱线和基体振动消耗的能量, 以及总振动能量, 得到了材料的损耗因子。结果表明, 对于三维四向和五向编织复合材料, 一阶固有频率随编织角的增加而减小, 随纤维体积分数的增加而增大; 而损耗因子随编织角的增加而增大, 随纤维体积分数的增加而减小, 并表现出明显的非线性变化规律。      

三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

采用考虑纤维束相互挤压的纤维束截面八边形单胞模型, 引入周期性边界条件, 对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟, 并预测了材料的拉伸强度。通过在应变能密度函数中引入损伤状态变量, 建立了含损伤材料的刚度矩阵, 运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤, 通过数值结果与试验结果的对比, 分析了Hashin和Tsai-Wu两种准则作为判定纤维束起始损伤的适用性。分析表明: 基于引入不同失效模式的Tsai-Wu准则的数值模拟和试验结果吻合良好; Hashin准则不适合作为编织纤维束的损伤判据; 不同编织角材料的失效机制不同。