用于结构件的三维编织复合材料

三维编织复合材料是由三维编织物(预制件)增强的一种先进复合材料。它具有优良的层间性能和其它的性能,使复合材料制作主承力结构件和高功能制件成为可能。文章主要讨论了三维编织技术和三维编织复合材料的特点、主要研究的内容以及它们的应用等,并对三维编织技术和复合材料的发展做了展望。     

Investigation on the Thermal Conductivity of 3-Dimensional and 4-Directional Braided Composites

It is vital to choose a factual and reasonable micro-structural model of braided composites for improving the calculating precision of thermal property of 3-D braided composites by finite element method (FEM). On the basis of new microstructure model of braided composites proposed recently, the model of FEM calculation for thermal conductivity of 3-dimennsional and 4-directional braided composites is set up in this paper. The curves of coefficient of effective thermal conductivity versus fiber volume ratio and interior braiding angle are obtained. Furthermore, comparing the results of FEM with the available experimental data,the reasonability and veracity of calculation are confirmed at the same time.     

三维编织体典型结构拓扑分析

详细分析了三维四步法 1× 1编织预制件的细观结构特征 ,并以此为基础对纱线的空间几何形态进行详尽的数学描述 ,提出了细观力学代表单元分析模型。与现有分析模型相比 ,该模型更准确地描述了纱线弯曲形态及各纱线间的空间位置关系 ,为后续材料的各种性能的分析奠定了基础     

三维四向编织复合材料的叠层板理论分析

基于经典层合板理论和叠层板模型，建立了一种分析三维四向编织复合材料力学性能的方法。在叠层板模型中，代表性体积单元的厚度为编织复合材料的整体厚度，宽度为一个编织花节宽度，长度为一个编织花节长度，并简化为具有不同材料主方向的单向层板的叠合结构。不同层板间的交叉重叠按各层板性能的体积平均进行简化，同时假设代表性体积单元具有均匀的中面应变和曲率。此外，模型中考虑了编织纱线的排列方式以及表面纱线的影响。理论分析结果与实验值吻合较好。     

三维编织复合材料力学性能的实验研究

本文考察了三维编织方法的发展历史及应用背景,针对不同的编织方法,研究了所产生的编织复合材料基本“单胞”结构,以及不同编织参数对复合材料构件基本力学性能的影响,着重比较研究了二步法及四步法所形成构件与层合板构件的结果。采用反射光弹技术考察了编织复合材料的孔边应力集中现象,得到了有益的结果。本文针对三维立体织物的特点,研究使用了RTM成型工艺,得到了较好的编织试验件。     

三维全五向编织复合材料细观结构实验分析

对三维(3D)全五向编织复合材料的细观结构进行了实验研究,三维全五向编织复合材料是一种新型的编织复合材料,其细观结构对预测材料的性能有重要作用。采用显微计算机断层成像(micro-CT)技术得到了三维全五向编织复合材料的截面图片,通过在碳纤维试件中混编入少量玻璃纤维作为示踪纱,提高了示踪纤维束在截面图片中的的对比度。并通过三维重建得到纤维束实体模型,结合CAD技术对纤维束的横截面形状与空间走向进行了研究。结果表明:编织纱与轴纱纤维束的截面形状在材料不同区域与不同的花节高度内是变化的;在不同区域,编织纱的空间走向也是不同的;而轴纱在空间上基本保持伸直。由于编织纱对轴纱的挤压使轴纱表面产生螺旋状的压痕。      

三维四向编织复合材料弹性性能的有限元预报

在四步法方型三维编织复合材料细观结构单胞模型的基础上,假设纱线具有六边形横截面,应用ANSYS软件,建立了实体有限元模型,该模型表面与预制件表面平行,更加符合三维编织复合材料的实际结构,且有利于力学性能的分析,同时,该模型中还考虑了织物的编织角与内部编织角的几何关系.基于该模型,计算了材料的弹性常数,分析了编织角和纤维体积含量对弹性常数的影响规律.结果表明,数值计算与实验结果吻合较好.此外,还确定了材料内部的应力场分布,为材料的强度预测奠定了基础.      

复合材料三维四向矩形类编织物表面结构研究

针对有限元计算对几何参数的需要,详细研究了由四步1：1法编织的复合材料三维四向矩形截面类型预成形件的表面结构,为其建立了较准确的几何模型。以矢量分析方法导出表面纱段轴线,表面纱段与内部纱段的接触线等数学表达式。据此得到该材料表面结构的几何参数值和下面结果：表面纱段轴线由两条相互对称且位于正交面上的椭圆弧光滑连接而成;同一条纱线的表面段和内部段为光滑连接;接触线是椭圆弧,提出了由表面纱缎倾斜角推算纱线内部编织角应注意的一个问题。     

三维编织复合材料蠕变行为的试验研究

对不同编织结构、不同编织角、不同纤维体积含量和不同应力水平下的三维编织复合材料试件进行了蠕变测试实验,研究了三维编织复合材料的蠕变性能.结果表明,三维四向编织复合材料的蠕变性能低于五向编织复合材料;编织角小的材料抗蠕变性能较好;纤维体积含量高的材料抗蠕变性能较好.并且材料所受应力水平越高,蠕变速率越高.此外,还表明幂指函数可以较好地拟合三维编织复合材料的蠕变曲线.     

三维五向圆型编织复合材料细观分析及弹性性能预测

 基于三维圆型编织的主要工艺，系统研究了三维五向圆型编织的纱线交织结构，建立了内部单胞和表面单胞模型。推导了单胞的几何特性、编织工艺参数之间的数学关系。基于此模型，采用改进的刚度平均化方法，计算了三维圆型编织复合材料的弹性性能参数，并与实验的结果进行了对比，吻合较好。分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响，结果表明，五向圆型编织复合材料保持了四向圆型编织复合材料良好的力学性能，同时由于轴纱的加入，使得轴向的力学性能得以提高。