3D Woven Structures and Their Weave Design with Changing Cross-section on Warp and Weft Direction

With 3D orthogonal and pseudo-orthogonal weaves, woven sructures with lengthwise and widthwise changing cross section on one side or both sides of the structure can be constructed. The weave formation and the looming draft creation are discussed in this paper which can be used as references to manufacture woven preforms with changing cross sections.

用于三维机织物预成形变形预测的各向异性超弹性本构模型

随着三维机织物逐渐广泛应用在航空发动机叶片、机匣等复杂曲面结构的制造方面,预测三维碳纤维机织物在曲面结构制造的预成形过程中的复杂变形行为对提升纤维结构的成形质量具有重要意义。基于连续介质力学理论,本文提出一种各向异性超弹性本构模型描述三维机织物在成形过程中由于大变形所引起的各向异性力学变形行为。通过三维机织物的变形试验,建立了应变能密度函数,获取了三维机织物材料参数,并通过偏轴拉伸、半球冲压预成形有限元仿真与试验对比,验证了本文提出的超弹性本构模型的有效性。超弹性本构模型的提出可对三维机织物成形的有限元仿真模型与成形工艺优化设计起指导作用。

3D机织预制体准纤维尺度建模方法

3D机织复合材料在航空航天领域有着广泛应用,作为复合材料的增强结构,纤维预制体的几何构造对复合材料的力学性能有着决定性影响。但预制体是一种柔性结构,在成型过程中容易发生显著的几何结构变异,包括纱线路径的变化和截面的挤压变形。实现预制体的精细化、高保真度建模是对复合材料进行性能预测和结构设计的重要前提。针对碳纤维3D机织预制体的复杂纤维结构,基于虚拟纤维的概念提出了准纤维尺度建模方法,模拟了织造过程中纱线的运动和变形,实现了预制体的精确重构。利用Micro-CT技术表征了预制体样件的内部单胞结构,验证了模型的可靠性。

碳纤维三维机织预制体在线自动检测系统的应用

通过设计3种表面纹路相似的不同组织结构、不同纬密的碳纤维三维机织预制体,在其织造过程中应用视觉检测系统对预制体进行在线实时监测,验证图像识别技术在碳纤维三维机织预制体织造过程中纬密检测的精确度及稳定性。

预定型弯曲柱纱三维机织间隔复合材料的压缩性能

为探究柱纱弯曲程度对三维机织间隔复合材料(3DWSC)压缩稳定性的影响,采用手糊成型工艺将环氧树脂与三维机织间隔织物进行复合,并在其固化成型前对材料进行压缩预定型,制备了4种不同厚度即4种柱纱弯曲程度的三维机织间隔复合材料。探究了柱纱弯曲程度对3DWSC平压性能、平压破坏模式及疲劳性能的影响。结果表明,随着柱纱弯曲程度的增大,3DWSC的平压强度先降低后提升,柱纱的破坏模式由脆性断裂和失稳逐渐转变为屈服破坏,3DWSC的疲劳性能下降。

三维机织复合材料力学性能研究进展

三维机织复合材料具有结构可设计性强、复杂构件整体近净成型、冲击损伤容限高等优点,成为航空航天领域新材料研制关注的重点。近年来,三维机织复合材料的结构设计、细观建模、性能分析等得到了快速的发展,并取得了实质性成果。多轴向机织结构的开发,精细化建模研究,自动化连续生产是三维机织复合材料的发展趋势。本文介绍了典型的三维机织预制体的结构特点,对比分析了不同预制体结构的三维机织复合材料的准静态力学性能,回顾了三维机织复合材料的细观结构建模、理论分析和数值模拟等方面的研究进展,列举了三维机织复合材料在航空航天领域的典型应用,为三维机织复合材料应用研究提供参考。

三维机织C／C复合材料的摩擦磨损性能

采用碳纤维织造了三维角联锁和三向正交2种不同三维机织物,首先采用化学气相渗透(CVI)使其致密,再采用液相树脂浸渍/碳化的补充增密技术,制备出粗糙层结构热解碳和树脂碳双元基体C/C复合材料;对该C/C复合材料进行摩擦磨损实验,采用光学显微镜、扫描电镜对三维机织物增强的C/C复合材料的摩擦面以及磨屑形貌进行观察,对其磨损机理进行分析。结果表明:三维角联锁C/C复合材料比三向正交C/C复合材料的摩擦因数低(分别为0.40和0.48),二者的摩擦性能均稳定,后者比前者磨损量小,说明Z向纤维束有利于提高摩擦因数并降低磨损量。

三维机织预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响

本工作设计并用炭纤维织造了两种不同结构的三维预制体,即三维角联锁结构(JLS)和三向正交结构(SZJ),采用化学气相渗透(CVI)致密和液相树脂浸渍/炭化的增密工艺,制备出C/C复合材料,测试并对比分析了拉伸性能和冲剪性能。结果表明:预制体结构对C/C复合材料的力学性能有很大影响,同时决定拉伸断裂破坏模式。三向正交结构C/C复合材料的力学性能好于三维角联锁结构的C/C复合材料。

三维机织预制体增密速率分析

研究了三维机织预制体孔隙结构对CVI及树脂浸渍增密速率的影响,并利用偏光显微镜和电镜对三维机织微观结构进行观察。结果发现,三向正交机织(SZJ)预制体由于孔隙分布较窄,且气孔平直,使其致密化速度较快;角联锁机织(JLS)预制体由于经纬交织成网状结构,孔隙分布较宽,且气孔弯曲,使其致密化速度较慢。在偏振光下观察,二者虽然都获得粗糙层结构热解炭,但微观结构仍存在差别,三维角联锁C/C复合材料与三向正交C/C复合材料比较,前者消光角大,形貌更为粗糙,更富有层次感。

基于纱线真实形态的三维机织复合材料细观结构及其厚度计算

如何确定预制件的结构参数与复合材料厚度之间的数量关系是设计人员面临的一个难题。对三维机织复合材料横截面图像细观结构进行观察分析。结果表明,决定三维机织复合材料厚度的部位在沿纬纱的中心线横截面处;经纱的横截面呈长方形;纬纱的纵向轨迹呈直线形。基于细观结构导出了用预制件结构设计参数表示的复合材料厚度计算公式,用算例验证了公式的正确性。验证结果表明,复合材料厚度计算公式正确,具有实用性。

三维机织预型件织物设计及其织造的探讨

主要探讨了三维机织预型件的结构设计、织造参数及织造过程,并总结和讨论了三维机织预型件试织 过程中出现的问题及解决的办法,为三维机织预型件的机械化及大规模生产提供一定的理论和生产 依据。

“且”字型立体织物的独特设计与织造

"且"字型结构独特,既有平底,又有纵向阶梯形三个口。为了利用"且"字型的独特结构,进行该字型立体织物的设计织造,在多臂开口机构的小样机上进行试织。采用粗特玻璃纤维织造,经化学树脂复合后,完全可用作既有底板又有三孔的光缆输送通道或其他用途的型材。

碳纤维3D机织预制体弯曲性能

异形结构复合材料构件成型过程中,其内部纤维预制体往往发生显著的宏观变形。预制体的弯曲性能对褶皱缺陷的形成和演化有着决定性影响。采用三点弯曲法对碳纤维3D机织预制体进行了测试,利用Micro-CT技术研究了预制体的微细观变形机制,分析了经纱密度和纬纱密度对预制体弯曲性能的影响规律。结果发现:3D机织预制体的临界弯曲能量随着组织点密度的增加大致呈线性增大的趋势。预制体弯曲变形主要由经纱屈曲度变化、局部压缩屈曲和经纬纱层间滑移等微细观变形构成。

基于Micro-CT技术的3D机织预制件细观结构分析

基于微计算机断层扫描(Micro-CT)技术重构了纤维预制件的3D细观结构,提出了两个表征纤维预制件几何结构变形的量化指标,研究了纬纱密度和厚度对3D机织预制件细观结构的影响机制。结果表明:Micro-CT技术能够有效表征3D机织预制件内部纱线的截面形态和空间路径;当纬纱密度为2.0根/cm时,预制件试样均表现出明显的变形,不适合实际工程应用;随着纬纱密度的增加,纤维预制件的内部结构趋于稳定;10 mm试样的内部结构比5 mm试样更稳定,但表面纱线的横截面和路径仍然呈现较大的变形。

低捻纱三维角联锁机织预制体的不稳定结构变形模型

为研究三维角联锁机织预制体在成形回转曲面过程中发生的形变,分析了预制体的结构不稳定因素及其变形类型,构建了预制体代表性体积单元的弯曲变形模型,探究了预制体几何结构参数与纱线截面变形系数之间的函数关系,得到了纱线在等量变形和非等量变形时织物花节长度、经纱倾角和纤维体积百分含量随纱线截面变形系数的变化规律。采用玻璃纤维制备三维角联锁机织预制体并进行弯曲试验,验证了该变形模型的合理性。认为:该研究成果可为低捻纱三维角联锁机织预制体二次成形回转曲面提供理论支持。

针刺石英机织布损伤表征及针刺毡纤维分布取向的变化

为探究针刺工艺中针刺密度的持续变化对3D针刺石英复合材料预制体中的机织石英布的损伤程度影响及对石英毡纤维分布取向的影响,采用体式显微镜对不同针刺密度下的机织物形貌的变化进行图像采集,并提出一种基于MATLAB软件可表征不同针刺密度对石英机织物损伤程度的方法。采用岛津AGS-250KNE拉伸试验机对不同针刺密度下的机织物样品进行拉伸性能测试,采用DHU-11非织造纤维取向分析仪对不同针刺密度下0°~180°范围内非织造石英毡的纤维取向分布进行测试。结果表明,当针刺密度分别为210刺/cm^(2)和245刺/cm^(2)时,相应的表征破损程度R值近似相等,即R_(210)=0.518近似等于R_(245)=0.515,可认为当针刺密度达到210刺/cm^(2)时,针刺机织物力学性能损伤达到极限;针刺密度为0时,非织造石英毡的纤维取向分布呈明显正态分布。同一针刺密度下的纤维取向分布在0°~15°和165°~180°范围内,及在90°下的纤维分布量明显大于其他角度下的纤维分布量,且随着针刺密度的增加,同一角度下的纤维取向分布量总体呈逐渐减小趋势。

碳纤维复合材料三维织造导向阵列变形研究

为实现三维结构复合材料的高质量成形,研究了复合材料柔性导向三维多针织造成形过程中导向阵列的变形特征。利用导向阵列边缘导向棒的中心距变化情况进行导向阵列变形特征研究,主要采用图像处理手段对中心距大小进行分析,从而获得不同织物高度条件下导向阵列中心距的变化特征,并对成形后复合材料预制体的成形精度和内部质量进行分析,建立了具有微变形的导向棒压实协调变形模型,探究导向阵列变形对预制体成形质量的影响。基于复合材料柔性导向三维多针织造成形工艺,导向阵列边缘导向棒中心距整体呈高斯分布,导向阵列变形的主要原因是导向棒自身的变形,且随织造过程进行,导向棒变形加剧。在进行导向棒选择和布置时,应选择初始变形小于1.4mm,变形区幅宽与变形区中心高度之比大于0.845的导向棒,有利于减小导向阵列变形情况,避免成形过程使导向棒进一步变形的可能。