三维正交机织物结构的几何模型

以经、纬纱为直线,捆绑纱为正弦和直线组合的曲线,建立了三维正交机织物的几何结构模型。根据捆绑纱所限定纱线的截面积,建立了以织物结构参数为未知量的非线性方程组,使用数值计算方法求出了非线性方程组的近似解,确定了捆绑纱曲线模型中的待定量。制织了纬纱捆绑和经纱捆绑两种玻璃纤维三维正交机织布,并与不饱和聚酯树脂复合,然后观察复合材料中捆绑纱的形态,发现捆绑纱的测试曲线与模型曲线具有很好的一致性。进一步比较捆绑纱织缩率的测试值与计算值、纤维体积含量的测试值与计算值,表明建立的织物结构几何模型,能够较为真实地反映三维正交机织物的实际结构。

三维正交机织物参数对纤维体积含量的影响

三维机织物设计的一个目标是满足要求的纤维体积含量。通过分析三维正交机织物单元体的结构,可以计算经纱、纬纱和捆绑纱的截面尺寸,建立纤维体积含量与织物参数间的关系。实际制织了一块6层经纱、5层纬纱的玻璃纤维三维正交机织布,测试了经纱、纬纱、捆绑纱以及织物的纤维体积含量,并与理论计算值进行了对比,分析了产生误差的原因。最后,分析了织物参数对纤维体积含量的影响,发现经纬纱粗度比的增大或间距比的减小,将使经纱和织物的纤维体积含量增大,纬纱的纤维体积含量减小;捆绑纱的引入,降低了经纱、纬纱和织物的纤维体积含量。

织物密度对三维正交机织物吸水导湿性能的影响

采用不同纤度的细旦丙纶丝和黏胶长丝织造6种纬密相同、经密变化的三维正交机织物,以差动毛细效应为理论基础,对各织物的吸水导湿性能进行测试分析。结果表明:当细旦丙纶丝333dtex(300D)/72根、粘胶长丝278dtex(250D)/48根、细旦丙纶丝167dtex(150D)/48根所对应的功能层经纬密度分别为70×100根/10cm(导湿层),105×150根/10cm(吸水储水层),105×105根/10cm(导湿层)时,织物的吸水导湿性能表现最优。

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。

球形弹体冲击下三维正交机织物结构破坏机制有限元分析

为深入研究抗冲击三维正交机织物的破坏机制,通过有限元建模分析,以三维正交机织物为靶体,在纱线尺度细观结构模型上计算其在不同初始速度球形弹体冲击下的渐进破坏过程。对不同初始速度下球形弹体的速度和加速度变化历程、各纱线系统吸能比例、材料渐进破坏过程以及最终破坏形态等进行分析。结果表明:平直排列的纱线系统在吸收与耗散球形弹体冲击能量的过程中发挥重要作用,可使能量以很快的应力波速扩展到三维正交机织物靶体的大面积区域,并提高吸能效果;球形弹体初始速度为100 m/s时,经、纬、Z纱系统可分别吸收总能量的39.6%、48.37%、12.03%,经、纬纱系统为三维正交机织物靶体抵抗冲击力过程中的主要承力部位;通过增加纱线层数、织物体积及织造密度等可提高三维正交机织物材料的抗冲击性能。

三维正交机织物组织结构的几何表征和数学表征

切取三维正交机织物沿经向和纬向的连续横截面,在三维视频显微镜下拍摄和分析织物横截面中经纱、纬纱和Z纱的横截面形态、纱线空间构型,用参数方程表征理想状态下织物中经纱、纬纱和Z纱截面尺寸及屈曲形态。基于三维绘图软件Pro/E,重构三维正交机织物单胞模型及大尺寸织物模型,使其能更准确、更真实地反映三维正交机织物真实细观结构。

贯穿正交机织物结构的参数化三维建模

为加快贯穿正交机织物结构的三维建模过程,在交织规律的基础上以纬纱层数、纬纱直径、地经直径、接结经直径4个独立参数,建立了贯穿正交机织物结构单元的几何关系及其三维模型。根据独立参数给出了理想状态下层间纬纱、地经纱线轴线间距,同层内相邻纬纱、地经纱轴线间距,相邻接结经纬向间距,以及结构单元纬向宽度、经向长度和厚度的计算方法。运用3ds Max软件的Maxscript脚本语言编程方法,通过输入纱线直径、纬纱层数等参数,由纱线型值点坐标构建SplineShape类对象,分别构建出纬纱层、地经层及接结经,从而实现了该类织物结构的参数化三维建模。

三维正交机织物的冲击拉伸响应

本文利用MTS 810.23材料测试系统和自行设计的分离式Hopkinson拉杆装置对三维正交机织物(3D Orthogonal Woven Fabric,3DOWF)进行测试,得到不同应变率(1×10-3s-1～2 308 s-1)下该织物的冲击拉伸响应。结果发现:3DOWF是应变率敏感材料,随着应变率提高,拉伸强度和失效应变均明显提高,且高应变率下应力-应变曲线具有双阶段韧性现象。研究表明:织物特殊结构效应引起应力波反射与透射差异,从而导致3DOWF双阶段韧性现象。

三维正交机织物织造及复合材料成型工艺研究

详细阐述三维正交机织物的结构特征、织造原理及织造工艺,以三维正交机织物为增强体、环氧树脂为基体,采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺成型,制成复合材料,并分析其内部结构。结果表明:由普通织机改造的多综眼多剑杆织机可以织造三维正交机织物,成型后复合材料内的纱线形状和位置未发生明显变化,树脂较好地渗透到织物内部,复合材料具有较高的纤维体积分数。研究结果为进一步研究三维正交机织复合材料的力学性能及应用奠定了基础。

三维正交机织物的冲击拉伸响应

本文利用MTS810．23材料测试系统和自行设计的分离式Hopkinson拉杆装置对三维正交机织物（3DOr-thogonalWovenFabric，3DOWF）进行测试，得到不同应变率（1×10-3s-1～2308s-1）下该织物的冲击拉伸响应。结果发现：3DOWF是应变率敏感材料，随着应变率提高，拉伸强度和失效应变均明显提高，且高应变率下应力一应变曲线具有双阶段韧性现象。研究表明：织物特殊结构效应引起应力波反射与透射差异，从而导致3DOWF双阶段韧性现象。

三维正交机织圆管织物的试织及其单胞模型

探讨三维正交机织圆管织物单胞模型的建立方法。通过分析三维正交机织圆管织物经向、纬向和法向断面显微照片,建立了织物细观单胞模型,利用几何模型公式推导建立了织造工艺参数与几何结构特征参数之间的理论关系;计算了每层经纱的厚度、织物层数、织物厚度以及纤维体积含量,并与织物参数实际值进行了对比。结果表明:计算结果与实际值间有良好的一致性。认为:所建三维正交机织圆管织物单胞模型较为合理、有效。

三维正交机织玄武岩/芳纶混编复合材料的拉伸和剪切性能研究

本文设计和制作了两种混杂模式的三维正交机织玄武岩/芳纶混编复合材料,分别是层间混杂和层内混杂模式。对其拉伸性能和剪切性能进行了测试和分析,结果表明,层内混杂复合材料的拉伸性能和剪切性能比层间混杂复合材料的好,层内混杂复合材料的归一化强度和归一化模量分别比层间混杂复合材料的高22.12%和16.9%,层内混杂复合材料的剪切强度和剪切模量分别比层间混杂复合材料的高19.61%和26.03%;对于层间混杂复合材料,纬向的归一化强度比经向的高4.06%,但厚度方向上纱线的存在和织造工艺中经纱预加张力的影响,使纬向的归一化模量比经向的降低11.44%。

三维正交机织复合材料的力学性能

测试了5种不同规格型号的三维正交机织复合材料以及同种型号增强体与两种不同树脂基体得到的复合材料的抗拉伸、抗弯曲力学性能,并分析了其破坏模式。结果表明:三维机织复合材料能有效阻止分层破坏,且纬向的力学性能明显好于径向,其力学性能也会随树脂基体力学性能的提高而有所提高,模量的变化尤其明显。

三维正交机织复合材料的冲后压缩性能

为揭示纱线张力对三维机织复合材料抗冲击及冲后压缩性能的影响规律,基于多剑杆织造工艺,配置不同接结纱张力(25、50、100 cN)织造三维正交机织物,通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备复合材料,并在室温下进行低速冲击及冲后压缩性能测试。结果表明:当接结纱张力为100 cN时,试样在冲击载荷下发生表层树脂大面积破裂和剥离并使纬纱失去支撑,同时,试样表层纬纱发生较大卷曲,促使压缩载荷发生屈曲失效;接结纱张力为100 cN试样的压缩性能相比接结纱张力为25 cN试样下降约50%;接结纱张力较高时易导致纬纱卷曲增大和树脂富集,并由此降低试样的弯曲刚度和冲后压缩性能。

双轴向经编和三维正交机织增强复合材料拉伸性能实验研究

为对比双轴向经编和三维正交机织玻纤复合材料沿0°和90°方向拉伸性能,分别以0°/90°双轴向经编织物和三维正交机织物为增强体,E-2511-1A环氧树脂/2511-1BT固化剂为基体,通过VARTM成型,测试试样沿0°和90°拉伸性能。结果表明,该双轴向经编复合材料仅在0°方向拉伸强度和当量强度略高,弹性模量和当量模量均弱于三维正交机织复合材料,这与增强体纱线线密度和织造密度紧密相关。复合材料拉伸断裂截面显示,三维正交机织物内Z纱有效改善了双轴向经编复合材料易拉伸分层失效和断裂截面处纤维抽拔、脱粘等问题。

捆绑组织对三维正交机织复合材料拉伸性能的影响

以高强涤纶纱为原料,借助自主改造的二维小样机织造三种捆绑组织(平纹、斜纹和缎纹)的三维正交机织物,再采用真空辅助树脂传递模型工艺制作三维正交机织复合材料。重点研究三种不同的捆绑组织对三维正交机织复合材料拉伸性能的影响。结果表明:三维正交机织复合材料沿经向拉伸时断裂表面较平整,沿纬向拉伸时断裂处形状不规则;捆绑组织为缎纹的三维正交机织复合材料的拉伸性能整体最好,捆绑组织为平纹的三维正交机织复合材料拉伸性能整体最差;三种捆绑组织的三维正交机织复合材料纬向拉伸断裂强度大于经向拉伸断裂强度。

三维正交机织和双轴向经编玻纤复合材料压缩性能研究

采用三维正交机织玻纤织物和双轴向经编玻纤织物分别为增强体,环氧树脂(E-2511-1A)/固化剂(2511-1BT)混合液(质量比为100∶30)为基体,利用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺成型,制备两种复合材料试样。然后,对试样进行0°和90°方向的压缩试验,并比较试样的当量压缩性能。结果表明,双轴向经编玻纤复合材料0°方向的当量压缩断裂强度比三维正交机织玻纤复合材料提高4. 90%,三维正交机织玻纤复合材料90°方向的当量压缩断裂强度比双轴向玻纤复合材料提高23. 40%,而双轴向经编玻纤复合材料0°、90°方向的当量压缩模量分别比三维正交机织玻纤复合材料提高35. 71%、64. 00%。

三维正交机织玻纤复合材料界面改性及弯曲性能研究

纤维/基体界面特性影响复合材料性能,为提高纤维/基体界面性能,基于纤维表面热处理与硅烷偶联剂改性相结合的方法处理三维正交机织物。分别以改性前后织物为增强体,树脂与固化剂的混合胶液为基体,采用VARTM工艺成型复合材料。测试试样沿0°和90°方向的弯曲性能。结果表明,试样沿0°方向的弯曲强度略有下降,而弹性模量增加。沿90°方向的弯曲强度和弹性模量均增加。由此可知,硅烷偶联剂改性可以提高纤维/基体界面结合强度,从而改善了复合材料的力学性能。纤维FTIR谱图和试样断裂截面SEM图也证实纤维/基体结合强度得到了提高。

三向正交机织碳/玻璃纤维混杂复合材料的模态分析

通过有限元法预测三向正交机织碳/玻璃纤维混杂复合材料的模态性能。为对比三向正交机织碳/玻璃纤维混杂复合材料的模态性能,制备了其他三种总体纤维体积含量相同但结构和纤维组分不同的复合材料(层合碳/玻璃纤维混杂复合材料、三向正交碳纤维复合材料、三向正交玻璃纤维复合材料)。首先建立了四种复合材料的单胞模型,基于均质化理论方法计算每种单胞模型模量;随后采用有限元软件建模输入单胞模型模量参数求得四种复合材料的固有频率;最后将有限元模拟得到的固有频率与试验固有频率进行比较,验证了有限元模型的有效性。研究发现,用数值试验方法来研究复杂纺织复合材料的模态行为是可行的。

三维织物织造方法的探讨

概括了三维结构织物的新特点和用途,叙述了目前应用最为广泛的三维正交机织物的织造方法及其织造机械,详细介绍了一种新颖的机织/编织结构的三维织物结构,以及可以织造这种织物的新型机织/编织混合织机的工作原理。