变截面三维编织复合材料的净形制备及弯曲性能

介绍变截面三维编织预型件的减纱净形制备工艺,通过实验观察与理论建模相结合的方法,分析减纱对预型件细观结构的影响,对比整列减纱、行单元减纱与切削复合材料在变截面区域的弯曲性能。结果表明表面与内部减纱单元是减纱时的基本单位,保证编织规律不变是减纱工艺的基本原则;表面或内部单元减掉后分别会形成两组特殊的纱线轨迹,其中一组纱线的长度与编织角大小较不减纱时增大,而另一组纱线只改变编织角的方向;行单元减纱与整列减纱复合材料的弯曲性能均明显优于切削试件,且行单元减纱试件的弯曲性能比整列减纱试件略高。

减纱工艺对变截面三维编织复合材料弯曲性能的影响

减纱工艺可以实现变截面三维编织复合材料的净形制备,通过对不同减纱方案制备的单次减纱试件和具有不同减纱截面间距的两次减纱试件进行三点弯曲实验,研究了减纱工艺参数对变截面三维编织复合材料弯曲性能和破坏形态的影响。结果表明,行单元减纱试件的弯曲性能略高于整列减纱试件而显著优于切削试件,纱线断裂是减纱试件的主要失效机制,切削试件则以基体和界面损伤为主。两减纱截面间隔1-3个花节时,试件主要在第2个减纱截面附近发生破坏,而间隔4或5个花节时,弯曲破坏集中在两减纱截面的中间区域。随着减纱截面间距由1花节递增至4花节,试件的弯曲性能逐渐提高,而间距为5花节的试件则与间距4花节试件的弯曲性能基本相同。

变截面三维编织复合材料减纱工艺与弯曲性能

探讨了变截面三维编织预制件减纱净成型原理,结合图像观测与拓扑分析方法表征减纱区域细观结构,对比减纱变截面与切削变截面复合材料截面缩减区域及相应等截面复合材料的弯曲力学性能,并分析两种变截面试件在破坏模式上的异同。结果表明:减纱应遵循的原则是保证具有连续可编织性,减纱预制件在截面缩减区域呈现平滑的梯形过渡,其弯曲模量与强度显著高于切削变截面试件而略低于等截面试件,且表现为以纱线断裂为主、包括基体开裂和纤维抽拔等模式的复合型破坏。

异型截面三维编织复合材料细观结构分析

阐述了异型截面三维编织物编织的基本原理,以“口”字型截面为例,系统地分析了携纱器在机器底盘上的运动规律以及纱线在面内和空间的交织运动规律.采用控制体积单元法建立了异型截面三维编织复合材料中除普通方型三维编织复合材料所具有的内胞、面胞和角胞外,在矩形与矩形相连区域的相连内部单胞、相连表面单胞和相连角单胞模型.这些单胞模型的表面与预制件的表面平行,有利于今后的力学性能分析.此外,在假设纱线具有椭圆形横截面的基础上,推导了编织工艺参数之间的数学关系,为进一步分析异型截面三维编织复合材料的力学性能奠定了基础.

三维编织复合材料中纤维束横截面形状的研究

采用计算机图象分析技术 ,重点对三维编织复合材料微观结构中纤维束的横截面形状进行了全面的研究。结果表明 :在复合材料的内部、边部和角部 ,纤维束的横截面形状是不同的。

“三维编织变截面复合材料的成型设计与优化”项目通过市科委验收

由我校复合材料研究所副教授焦亚男承担的天津市自然科学基金项目“三维编织变截面复合材料的成型设计与优化”于2005年9月29日通过市科委组织的专家验收．

三维四向编织复合材料改进模型弹性性能计算

针对三维四向编织复合材料,在改进的矩形截面单胞模型的基础上,考虑了相邻纤维束之间的界面粘结效应,推导了单胞的几何特性与编织工艺参数之间的数学关系,并且采用ANSYS软件建立了实体有限元模型,得到了等效弹性性能参数;之后,分析了各工艺参数对弹性模量的影响规律.通过有限元计算的材料弹性性能常数与试验数据符合较好,较为真实地模拟了该材料的细观结构,对三维编织复合材料的设计和工艺具有一定的参考价值.

方形截面玻璃纤维编织复合材料管件物的能量吸收特征

复合材料因其轻质、机械性能好及能量吸收性能高而广受关注。研究表明圆形截面复合材料管件物能量吸收性能优于方形截面的管件物,故目前复合材料管件研究对象高度集中在圆形截面,而对实用价值非常高的方形截面复合材料管件物的研究比较少见。从编织角以及编织方式方面着手,对方形截面玻璃纤维编织复合材料管件物的压缩特征以及能量吸收性能进行了探索性研究,分析了不同编织角的二维(2D)以及三维(3D)结构复合材料管在破坏过程中伴随的微观破坏,并讨论了其破坏机理的差异性。

三维四向编织复合材料结构的计算机仿真

为了在分析三维编织复合材料的编织结构时,使三维编织预制体结构仿真分析更加接近真实的情况,以三维四向编织复合材料为研究对象,假设编织纱线的截面为椭圆形,结合四步法编织原理和三维编织预制体的编织参数,对纱线的运动规律进行讨论,同时利用三次B样条曲线优化纱线的运动轨迹,并通过Matlab模拟实现;将Matlab和VS2010计算出的纱线运动轨迹的空间坐标导入到三维建模软件SolidWorks中,进行三维编织预制体结构的仿真。结果表明:当纱线间距与花节长度一定时,保持长轴半径不变,增加短轴的长度,短轴的长度越接近长轴的长度,纤维的体积分数越大;当纱线间距与花节长度一定且长轴半径小于纱线间距的1/2时,保持短轴半径不变,纤维体积分数随着长轴半径的增加而增加;当纱线的长短轴半径与纱线间距一定时,编织预制体的长度随着花节长度的增加而增加。通过以上实验,实现了编织预制体结构的可视化,有利于之后的三维编织结构研究及其力学性能分析。

三维编织复合材料矩形空心断面梁的刚度优化

运用约束变尺度法研究三维编织复合材料空心断面梁的刚度特性 目标函数分别为梁的各项刚度系数或其组合 ,设计变量为该复合材料的编织工艺参数和梁的几何参数 采用优化设计方法得到了较理想的结果 ,对三维编织复合材料空心梁的设计有一定的参考意义 表 1,参

三维编织复合材料的冲击压缩和裂纹分布

在不同应变率(500~800s^-1)条件下,对三维四向和五向编织复合材料进行面外动态压缩试验,获得其压缩力学性能。通过高速摄影仪记录了三维编织复合材料的动态冲击损伤过程。对试样进行光学显微镜观察,获得不同加载应变率下截面形态,分析编织结构和加载条件对截面裂纹分布以及扩展的影响。结果表明:三维五向编织复合材料对应变率更敏感;应变率对不同结构三维编织复合材料的裂纹分布的影响具有一定的相似性;编织结构对截面裂纹分布具有显著影响。

三维五向编织复合材料纤维束真实形态观测

为了对三维五向编织复合材料细观纤维束的真实形态进行描述,采用显微计算机断层扫描技术(Micro-CT)获得三维五向编织复合材料的内部结构切片图像。通过调节灰度差值保留复合材料中纤维束的真实挤压形态,进而利用多层截面堆积的方式提取纤维束的真实形态。在此基础上,利用图像处理技术成功提取纤维束的横截面形状,建立坐标系,计算每一个截面的面积、截面中心点位置、截面偏转角度等纤维束参数,并对其进行分析。结果表明:纤维束在空间中表面存在螺旋状纹路,不同位置的截面变形情况也会不同;编织纱截面形状为凸透镜形,在编织过程中截面形状基本不变;轴纱截面形状呈三角形和扇形过渡变化,在2h/8和6h/8处截面面积最大,4h/8处面积最小;编织纱截面积大小随着花节高度增加呈近正弦式变化,在4h/8处截面积最小,截面偏转角度也最小。研究结果可为后期建立精细化三维五向编织复合材料模型奠定基础。

变截面三维编织异型件减纱工艺与力学性能的研究进展

阐述了变截面三维编织异型件的概念与应用背景,概括了异型预制件的编织原理与方法,总结了变截面编织体的减纱成型工艺并分析比较了各种方法的优缺点,探讨了异型截面及减纱工艺对复合材料细观结构与力学性能的影响,展望了变截面三维编织异型件的研究重点与发展方向。

变截面三维编织预型件的净形制备工艺与细观结构

介绍变截面三维编织预型件的减纱与添纱净形制备工艺,以行单元减纱预型件为代表,观察截面缩减区域的外观形态,并建立表面与内部减纱单元的几何模型,最后讨论了减纱对纱线交织规律的影响。结果表明,保证减纱或添纱后纱线的编织规律不变是净形编织工艺应遵循的原则,预型件在减纱区域呈现平滑的梯形过渡,表面与内部减纱单元中纱线的编织角增大,长度增加,且减纱截面处的纱线交织点位于减纱前两相邻交织点的中心。

变截面三维编织技术的研究进展

为深入了解变截面三维编织技术的研究进展情况,阐述了变截面三维编织原理,介绍了当前实现变截面三维编织成型的关键技术和研究现状,分析了现有变截面三维编织技术存在自动化程度不高、普适性不佳、工序复杂和纱线不均匀等问题,提出利用塑性金属选择性地添加纱线设计携纱器的思路。认为:变截面三维编织技术的优劣,需通过反复检验三维预制件的力学性能是否满足要求来评判。

变截面三维编织预制件增减纱技术与力学性能研究概述

为了进一步深入了解变截面三维编织预制件的研究现状,阐述了变截面三维编织预制件的增减纱原理及原则,分析比较了多种变截面预制体增减纱工艺的优缺点以及新型携纱器的弊端,论述了增减纱工艺对变截面预制件力学性能的影响,并就变截面预制件的研究现状进行了评价,展望了变截面三维编织预制件未来的发展方向。

四步法矩形组合截面三维编织物的细观结构

采用控制体积法研究了以四步法编织矩形组合截面三维编织物的特殊细观结构。根据三维编织原理,得到编织物内各区域携纱器的运动规律。从中看出,除了常规矩形截面三维编织物所具有的内部、棱(外)角和表面区域外,矩形交接区域的内部、内角和表面具有特殊的细观结构。分析了矩形组合截面三维编织物所特有的矩形交接区域以及交接内部、交接内角和交接表面的细观结构,建立了这三个区域的单胞模型。结果表明,交接区域的内部单胞外形为立方体,交接区域的内角单胞外形为七棱柱体,交接区域的表面单胞为五棱柱体。与常规矩形截面的单胞相比,矩形组合截面在交接区域中,纱线的空间形态和编织角均存在明显不同。

减纱工艺对三维编织矩形截面预制件的细观结构的影响

对通过减纱工艺形成的变截面三维编织预制件的细观结构进行了研究,并采用拓扑方法进行理论分析,得到了减纱后通过减纱截面的纱线运动走向和变化规律,从而为更精确的制定异型三维编织预制件的编织工艺打下了基础.

含纤维束截面形状变化的三维编织复合材料细观模型及刚度预报

基于实验观察和理论研究,重点分析了材料内部区域纤维束的空间构型,建立了一个新的三维实体细观结构模型,并指出了编织工艺参数和模型细观结构参数之间的关系。该模型较真实地反映了纤维束之间的相互挤压变形方式,纤维束横截面积沿纤维束轴向不断变化,更符合三维四向编织复合材料的实际结构。基于刚度体积平均及柔度体积平均混合思想,建立了相应的刚度预报模型。用该模型计算编织复合材料几何特性及工程弹性常数的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,为进一步研究三维编织复合材料的拉伸强度及破坏机制提供了基础。

用于三维编织可控增减纱的携纱器设计

为减少三维编织过程中的人工参与,提高三维编织的自动化程度进而提高编织效率,通过介绍三维变截面预制件现有的行列单元增减纱工艺和整行、整列增减纱工艺以及自身可实现增减纱的携纱器设备,比较现有变截面编织工艺和设备的优缺点,在此基础上提出了一种可利用液氮的物理特性并结合刀片的剪切作用通过无线控制来实现自动增减纱的新型携纱器。详述了这种新型携纱器各功能模块的作用,并结合设计图描述了其增减纱的工作过程,举例说明了利用这种新型携纱器进行的编织工艺,认为利用这种新型携纱器,再结合编织工艺可大幅提高变截面编织的灵活性,具有较好的应用前景。