用于缎纹机织复合材料力学行为数值模拟的新单胞模型

针对缎纹机织复合材料的数值模拟工作,为了在保证精度的前提下提高计算效率,本文基于五枚正则缎纹机织复合材料的细观结构,构造了一种新的平行四边形单胞模型。然后,利用该新模型和传统的矩形单胞模型,并采用Linde失效准则,模拟了复合材料在经向拉伸及面内剪切载荷作用下的应力-应变行为。模拟结果表明,两种单胞模型的计算结果一致,与实验值吻合较好,但新模型相比传统模型其建模工作量减小了近80%,计算效率提高近90%,是一种更为合理、高效的建模分析方法。此外,还将新单胞模型的构造方法推广到其它正则缎纹机织复合材料,为该类复合材料的优化设计及力学性能分析提供了一种高效的建模方法。     

三维正交机织复合材料力学模型研究进展

文章针对细观结构和理论模型进行了综述和回顾,重点介绍了三维正交机织复合材料的分析模型,以期待为今后的研究工作提供借鉴。     

含铁磁微丝的二维机织复合材料电磁屏蔽性能研究

将具有优良电磁性能的铁磁微丝引入石英纤维织制的平纹组织纺织结构中,形成特殊排布的二维机织复合材料。通过调整铁磁微丝在平纹结构中的循环间距和循环长度,对复合材料的电磁屏蔽性能进行探究,分析其电磁屏蔽机制。结果表明,在8.2～12.4 GHz的电磁频率范围内,这种材料的电磁屏蔽以吸波机制为主。3种不同铁磁微丝循环长度复合材料中,当循环长度为0.80 mm,电磁频率为11.7 GHz时,材料的电磁屏蔽性能最好,电磁屏蔽效能达46.2 dB。3种不同铁磁微丝循环间距复合材料中,当循环间距为2.0 mm,电磁频率为12.3 GHz时,材料的电磁屏蔽性能最好,电磁屏蔽效能达33.2 dB。以电磁波吸收机制为主的含铁磁微丝复合材料可以减少因电磁波反射而造成的二次污染,在航空航天、军事和民用等领域具有巨大的应用潜力。     

2.5维机织复合材料的几何结构模型与验证

为验证2.5维机织复合材料结构与其力学性能的关系,基于对材料断面显微照片的观察和分析,假定纤维束截面为为跑道形,建立了2.5维机织复合材料的单元结构模型。借助模型推导出纱线在几种典型结构（浅交弯联、浅交直联、深角联）的单元体结构内的纱线长度、接结经的取向角和纤维体积分数,并对材料进行拉伸、压缩性能预测。制作了满足要求的2.5维机织复合材料实验件并对其进行力学性能测试,通过试验值和预测值的对比,验证几何模型的正确性。     

二维与三维机织复合材料力学性能的实验研究

对超厚三维正交机织复合材料及二维要织层合板人别进行了拉伸和压缩实验,研究比较了两种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应力应变曲线都近似为直线,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.这主要是由于材料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.     

三维机织增强复合材料弹道冲击边缘部分有限元分析

利用有限元软件ABAQUS建立基于三维机织增强复合材料的单胞模型,探讨子弹在三维机织增强复合材料中应力波的传播发生过程,对比分析子弹冲击后边缘部分的实验结果和模拟计算的结果,并对三维机织增强复合材料的最终破坏模式与常用的层合板进行了比较。结果表明：子弹在三维机织复合材料中的应力峰值随入射速度的增大而增大,并来回发生反射,弹头从三维机织增强复合材料下表面射出后其增强纱线的断裂较入射上表面粗糙,分层现象在三维机织增强复合材料内部没有发生,而实际观察的破坏孔洞与采用有限元软件模拟后的图形基本吻合。     

二维织物冲击响应模拟计算与分析

为说明织物在弹体冲击过程中的抗冲击能力,运用有限元软件ABAQUS模拟分析的方法,考察一种典型二维芳纶织物的抗冲击性能。绘制并分析弹体的速度曲线、能量变化曲线、应力在织物中的传播以及弹体冲击织物的过程,揭示这种织物抵抗冲击的性能与行为。二维织物在不足以将其击穿的弹体的冲击作用下,整个冲击过程被分为2个阶段,且冲击过程中主要发生系统动能与内能的相互转化。所作研究为防冲击织物的设计提供了一种有效的预测方法,同时也可将其扩展应用于其它结构材料的防冲击分析。     

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。     

二维纺织复合材料成型的研究

介绍了二维纺织复合材料压制成型方法和织物剪切测试方法,讨论了剪切变形模式对织物成型的影 响。介绍了模拟二维纺织复合材料成型过程的两种模型:力学模型和数学模型。详细描述了铺覆法 的建模过程,并对铺覆法建模过程中所需的曲面方程表示方法进行了简单介绍。     

纬纱接结的三维正交机织物结构

为了研究正交机织物的实际结构,采用玻璃纤维在剑杆织机上织制了纬纱接结的6层经纱5层纬纱的正交机织物,然后利用VARI工艺与聚酯树脂复合,制成了复合材料板材试样,并在显微镜下观测纱线的形状。研究发现:三维正交机织物的经、纬纱基本呈直线状态,接结纬纱是曲线与直线组合的形状,且形状与在织物中的位置有关,越靠近织物中央,接结纬纱的直线部分越短;接结纬纱使其限定的经纱产生聚集现象,在复合材料中产生贫富树脂区,接结纬纱形状的变化也使织物的结构不均匀。对织造过程的分析表明,造成接结纬纱形状变化的原因是织物形成过程中接结纬纱的滑动,从织物边部到中央,接结纬纱的滑动阻力逐渐增大,接结纬纱的张力也逐渐增大。     

三维机织多孔复合材料的横向冲击性能

为了解纺织结构复合材料的动态力学行为,更好地设计并应用纺织结构复合材料,对三维多重纬经角联锁织物复合材料的动、静态力学性能进行了测试。运用分离式Hopkinson压杆装置测试了不同速度（应变率）及准静态状态时材料的力学性能。结果表明：三维多重纬经角联锁织物复合材料是应变率敏感材料;随着冲击速度的不断提高,材料所能承受的载荷及吸收的能量增大;材料破坏时前面表现为压缩破坏形式,背面为拉伸破坏形式。     

基于有限单元法的平纹织物复合材料强度预测:2.复合材料层合板拉伸过程的有限元分析

针对实际使用中平纹织物复合材料铺层角度问题,将0°/45°/90°/-45°铺层的层合板作为有限元分析对象,研究其犬骨试验件在单向拉伸作用下的响应。分析过程中,将试样视作宏观均匀的弹性材料,利用已得出的平纹织物复合材料的物性值,以8节点块单元对模型进行离散,通过分步施加载荷,得到复合材料的应力与应变曲线。与实测值作对比发现,仿真结果同实测结果相吻合。将节点反力作为复合材料单胞模型的边界条件,对复合材料进行失效预测。结果表明:角度铺层设计可以减弱细观结构的开裂和分层;且在承受相同的拉伸应力下,铺层复合材料单胞内树脂单元失效的数量少,因此具有更高的强度。     

三维机织物织边造型工艺设计

为满足市场对不同种类三维机织物的需要,提高多剑杆织机的产品适应性,在分析现有三维机织物造型工艺优缺点的基础上,提出了一种在多剑杆织机上织造三维机织物的新型造型工艺即织边造型工艺。结合新型工艺的需要,对现有多剑杆织机的织边系统和打纬机构的结构进行了改进设计,简单介绍了这种新型工艺的织造过程。通过在小样织机上试织,按照工艺织造出圆形横截面仿形织物。实验结果表明,织边造型工艺应用于复合材料预制件的织造会在一定程度上提高织机对更多织物产品种类的适应性,同时可解决织机因层数限制而不能织造壁厚较大的空心机织物的问题。     

飞轮缠绕用圆环织物的设计

为提高复合材料飞轮的径向强度,设计了径向也存在纱线的圆环形织物,它是按照飞轮层状展开得到的形状,经纱沿圆环的圆周方向,纬纱沿半径方向。分析圆环形织物在织造过程中经纬纱间的剪切变形,从织口到织物被织机的卷取成形辊握持,剪切变形角逐渐增大。剪切变形的存在,使机上圆环形织物的大小半径比设计值要小,而经纱密度变大。推导出织物机上尺寸与设计尺寸之间的关系,并可用于圆环织物的设计。实际制织了一种碳纤维圆环形织物,下机后经相反方向的剪切变形,得到了与设计相一致的结构。     

基于有限单元法的平纹织物复合材料强度预测：1. RVE的有限元模型

 为更准确预测平纹织物复合材料的强度,基于平纹织物层合板内纱线的细观分布,建立具有双凸结构的特征体积单元RVE(representative volume element)有限元模型。模型内纱线浸渍体为弹性体,物性值随纱线走向变化,树脂为塑性体。利用有限元分析软件ANSYS,使用20节点solid单元分别对纱线、树脂进行离散,通过数值分析计算复合材料模量,并根据复合材料内纤维与基体的失效准则预测单胞强度。结果表明：通过有限元模拟得到的弹性模量值同理论计算值及实测值均一致,且预测的单胞强度同复合材料实际强度值相吻合;RVE有限元模型支持参数化建模,对平纹织物复合材料的强度预测有很好的应用价值。     

Applying GM to predicting elastic property and FEM to analyzing tensile damage behavior for woven fabric

A geometrical modeling (GM) based on slice array model (SAM) for plain weave fabric is employed to predict the elastic property (i.e. initial Young’s modulus) in this study. A unit cell in SAM is divided into slices across the loading direction and is applied to predict the elastic properties of the woven fabric (WF). The morphologies and the behaviors of damages during extension for the WF are examined and analyzed by using finite element modeling. The experimental results show that the GM approach based on SAM is promising in predicting the elastic properties of the WF. Furthermore, thanks to the applicability of the geometric modeling, the textile material genome initiative can thus be approved and fulfilled in the future.     

Estimating engineering constants of woven textile composite using geometric model

This article deals with a simple geometric model of fiber-reinforced plastic composite (FRP composite). The composite uses an epoxy resin as the matrix and one layer of a plain weave E-Glass fabric as the reinforcement. Using theoretical considerations (on the basis of this model), it is feasible to calculate basic mechanical parameters useful for stress analysis. Such considerations and methods for calculating will be presented in this paper. The work consists in developing constitutive model of specific textile composite material – presently plain weave. There is a numerical constitutive model which approximates the mechanical behavior at the local scale. All results in this paper have been obtained using computer program created in Mathematica environment. The geometric model is based on the model of R.A. Naik, however, the validity and limitations are studied carefully. The method of calculation presented in this article can be applied to other weave patterns of FRP composites with other woven fabric geometries such as: Pierce’s model of plain weave, Pierce’s elliptic model, Kemp model with race track cross-section, and Hearle’s model.     

聚乙烯醇改性无纺布抗菌复合膜的制备及其性能研究

探究聚乙烯醇改性无纺布抗菌复合膜的制备方法及其性能。用溶液共混法将聚乙烯醇母液分别与不同抗菌剂进行共混,制得聚乙烯醇抗菌母液,再用表面涂覆法将抗菌母液涂布到无纺布表面,干燥后成膜,并对抗菌复合膜的各项性能进行检测。结果表明:脱氢乙酸钠-聚乙烯醇/无纺布抗菌复合膜(SD-PVA/NWF)的吸水性能、抗拉强度及光学性能均优于山梨酸钾-聚乙烯醇/无纺布抗菌复合膜(PS-PVA/NWF)和苯甲酸钠-聚乙烯醇/无纺布抗菌复合膜(SB-PVA/NWF);添加剂的种类不同,复合膜的热封温度不同;抗菌剂的加入降低了复合膜的热稳定性;相比于PS-PVA/NWF和SB-PVA/NWF,相同添加量的SD-PVA/NWF抗菌复合膜的抗菌性能最佳。