缝合连接三维编织复合材料技术

为了解决三维编织制作复杂形状异型件存在的局限性,文章提出了缝合连接三维编织复合材料技术,并阐述了其创新点和应该解决的问题。     

三维编织复合材料低速冲击试验与分析

针对三维编织复合材料在制造、使用和维护过程中受到外来物体的低速冲击而造成结构损伤和承载能力下降的问题,使用Instron Dynatup 9250HV冲击试验机对高强玻璃纤维增强环氧树脂基三维四向、三维五向和三维六向编织结构复合材料试样的抗冲击性能进行研究,建立编织结构和冲击性能之间的联系。试验结果表明：不同编织结构对冲击响应不同。与四向和五向编织结构材料相比,三维六向编织结构复合材料发生主要损伤时所需的冲击载荷和冲击能量较大,主要损伤持续时间最短,吸收的能量最少。未穿透情况下,三维编织复合材料低速冲击的主要失效模式有基体开裂和纤维断裂。     

碳/芳纶混编三维编织复合材料拉伸性能

为分析三维编织复合材料拉伸性能和失效机制,分别以碳纤维和芳纶纤维为轴纱和编织纱织造了三维五向、三维六向碳/芳纶混编复合材料。采用数字图像相关法采集试样在单轴拉伸过程中表面全场应变信息得到的泊松比。结果表明：三维编织复合材料泊松比受编织结构的影响较大,同种编织结构下,碳纤维为轴纱的复合材料基本保持了碳纤维三维编织复合材料的拉伸强度和模量,同时提高了断裂伸长率;芳纶纤维为轴纱的复合材料则显著提高了断裂伸长率,但拉伸强度和模量损失较为明显;同种混编方式下,三维五向编织复合材料的拉伸强度和拉伸模量较三维六向高,断裂伸长率无明显差异。编织纱分别为碳纤维和芳纶纤维的三维编织复合材料高应变区分别类似点阵分布和波浪线分布,三维五向和三维六向编织复合材料高应变区分别呈均匀分散分布和横向分布。     

三维编织复合材料压缩损伤声发射特性分析

论述了声发射技术在三维编织复合材料压缩过程中的应用及实验方法,给出了声发射在三维编织复合材料中压缩过程的特征。结果表明,声发射参数可描述复合材料在不同情况下内部变形的损伤机制。表面编织角是影响三维编织复合材料力学性能的主要参数,编织角小于30°,三维编织复合材料具有较好的压缩性能;编织角大于40°,三维编织复合材料压缩力学性能明显降低。为分析复合材料的力学性能,改善材料复合工艺提供理论基础。     

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。     

三维管状编织复合材料的弯曲性能研究

以1 200 tex的E型玻璃纤维为原料,采用3DB-J100-8型模块化组合三维编织平台制备三维四向、三维五向管状编织物;以E51环氧树脂、H023聚醚胺组成树脂基体,与上述编织物复合制成三维管状编织复合材料;利用Instron 3385H型万能材料试验机测试并观察材料的弯曲性能,研究编织结构、编织角等结构参数对三维管状编织复合材料弯曲性能的影响规律。结果表明:三维管状编织复合材料破坏特性均表现为明显的脆性破坏;三维五向管状编织复合材料的抗弯性能明显好于三维四向管状编织复合材料;三维管状编织复合材料的弯曲性能均随编织角的增大而增加。     

三维纺织物的纺织与固化工艺研究

三维编织复合材料具有优良的力学性能，已引起了广泛的关注。本文主要介绍了三维编织复合材料预制件的编织、固化工艺以及三维编织复合材料的优良性能。     

三维四向和五向编织复合材料冲击断裂行为的多尺度模拟

为对三维编织复合材料的结构特性进行模拟预测分析,采用一种多尺度和细观结构结合的方法,建立三维编织复合材料的等效拼接组合模型,进一步揭示编织复合材料在微观结构水平下的冲击损伤演化、裂纹扩展和能量吸收。设计制备三维四向和三维五向2种编织结构的碳/环氧树脂三维编织复合材料,根据编织参数建立等效拼接组合模型;通过落锤式冲击试验仪结合高速摄影系统记录2种编织复合材料在低速冲击下的断裂行为,与等效拼接组合模型在有限元数值模拟结果相对比,验证等效拼接组合模型的有效性。模拟结果表明,相同的体积分数下轴纱表现出最高的能量吸收,由于轴纱的存在,三维五向编织复合材料的抗裂性和裂纹扩展性优于三维四向编织复合材料。     

三维四向编织复合材料刚度的细观力学设计

为了实现工程应用中三维编织复合材料的灵活设计,合理优化纤维束结构参数使得三维编织复合材料宏观刚度达到要求。基于非连续介质力学方法建立桁架结构单胞模型,采用有限元法预估复合材料的有效弹性模量,以材料质量最轻和刚度要求为目标,选用遗传算法优化细观结构参数。对纱线线密度和编织节距长度的优化结果验证,实验表明,桁架单胞模型结合遗传算法可以为满足弹性性能要求的三维编织复合材料快速地找到最优的细观结构参数。     

基于SQUID的复合材料承载电气特性

描述了三维编织复合材料的电阻测试基本方法,针对材料的特性,采用SQUID技术研究三维编织复合材料的电磁参数测试方法,分析了不同载荷下材料的电阻、电磁变化规律。试验结果表明：三维编织复合材料的电气特性受制造参数和承载方式的影响,三维编织复合材料越厚,电阻值越小;表面编织角越小,电阻越小;纤维含量越高,电阻越小。承载状态下电阻在拉伸较小时呈现出线性增加,当拉伸超过6%时,电阻的增加呈现非线性增加,三点弯曲对电阻有着较大影响,加载时要比卸载时电阻、电磁量变化大。     

开孔三维编织复合材料的压缩性能

为研究机械开孔对三维编织复合材料压缩性能的影响,测试了2种三维编织复合材料试验件的压缩性能。1种为基本编织(100%编织纱)结构,另1种为含有编织纱/轴向纱(58/42)的结构,试验件编织角约为±12°。根据相关标准要求,分别进行有开孔和无开孔的复合材料试验件准静态压缩试验,并与层合板的压缩性能进行对比。研究结果表明:2种三维编织结构无缺陷材料的压缩强度较为接近,但引入开孔后,无增强纱结构可保留更高比列的压缩强度;引入开孔后,2种三维编织复合材料保留的压缩强度均高于层合板;在失效形式上,2种三维编织复合材料的宏观失效形式较为相似,均为剪切失效,表现出横向断裂且无分层现象。     

基于碳纳米线传感器的三维六向编织复合材料内部损伤定位

为研究三维编织复合材料的实时结构健康状态监控,针对三维六向编织复合材料编织结构,采用三维四步六向编织方法将碳纳米线传感器以轴向纱和六向纱形式嵌入复合材料中,提出了一种构建智能三维复合材料的方法,建立了基于碳纳米线的三维编织复合材料试件内部损伤监测系统。基于碳纳米线测量的电阻值矩阵,采用四分矩阵奇异值分解方法分析信号矩阵的主要特征,计算试件内部的损伤准确位置。实验采用5种不同类型损伤试件进行分析,结果表明,该方法计算的试件内部损伤位置与实际损伤一致,测量的损伤位置坐标误差小于1。该研究可为智能三维编织复合材料的健康监测发展提供理论基础。     

基于磁通图像的平板三维编织复合材料试件内部缺陷检测

基于量子扰动超导探测传感器超高的磁场灵敏度,将量子扰动超导探测无损检测技术应用于三维编织复合材料平板试件内部缺陷的无损检测。构建了适用于量子扰动超导探测检测需要的薄板中圆形缺陷涡流分布的理论模型。提出了量子扰动超导探测检测平板三维纺织复合材料试件内部缺陷的磁通变化成像算法,利用OPENCV软件对磁通图像进行处理,准确判定三维编织复合材料平板内部缺陷情况。试验结果表明：该方法准确描述了被检测试件缺陷的位置和尺寸;量子振动超导探测磁通成像具备良好的检测和定位的能力;相对于超声波等传统检测技术,量子振动超导探测技术是一种更为先进的三维编织复合材料的无损检测技术。     

三维编织复合材料T型梁的低温场弯曲性能

为研究三维编织复合材料T型梁低温环境下的弯曲力学性能,以指导耐低温抗弯曲三维编织复合材料结构设计,采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备不同筋高高度三维编织复合材料T型梁,自制低温环境箱,与MTS 810.23型材料测试系统相结合测试三维编织复合材料T型梁在不同低温下的弯曲力学性能。结果表明:随测试温度的降低,三维编织复合材料T型梁载荷增加,位移增大,能量吸收增加;随筋高高度的增加,三维编织复合材料T型梁载荷增加,位移减小,能量吸收增加,抗弯刚度增强;三维编织复合材料T型梁由较高温度下不同程度的屈服断裂转变为低温下的脆性断裂,随着筋高高度增加,失效模式由弯曲失效转变为剪切失效。     

嵌入三维编织复合材料的碳纳米线应变传感特性

为实现三维编织复合材料的原位结构健康监测,研制了嵌入碳纳米线的三维五向编织复合材料预制件,建立了基于三维编织复合材料试件的碳纳米线应变传感实验系统,分析了嵌入三维编织复合材料中的碳纳米线应变传感特性。结果表明：在单调拉伸和循环加载卸载过程中,嵌入三维编织复合材料的碳纳米线传感器电阻变化与试件应变的线性相关性较高;在较大载荷循环加载卸载后,碳纳米线传感器产生的残余电阻可用于检测试件的损伤或累积损伤;引入电阻应变相关系数建立了电阻变化净差值与机械应变净差值的应变传感方程,可实现基于碳纳米线传感器的三维编织复合材料原位结构健康监测。     

芳纶三维编织复合材料的抗冲击性能研究

用三维纺织结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料 ,建立与三维编织复合材料具有相同纤维体积含量的单向板细观模型。用动态显式算法有限元程序模拟倾斜单向板弹道侵彻破坏过程 ,并得到弹体贯穿靶体后的剩余速度和靶体变形形态。计算结果与弹道测试结果的比较证明在三维编织复合材料细观结构简化方案基础上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。并简要讨论靶板破坏方式和破坏机理