三维正交织物织造过程模拟及其微观几何结构预测

为获得更为精确的织物模型,以满足织物及其纺织复合材料力学性能和破坏机制分析的需要,针对多尺度材料几何结构建模中存在宏观和介观尺度理想化假设,从而导致织物微结构特征缺失的问题,基于数字单元法理论,在纤维尺度提出一种织物织造过程动态仿真方法。该方法建立了织机关键部件的几何模型,由织造矩阵控制开口运动,通过计算纤维间的相互作用力,模拟织机五大运动,得到4个处于不同织造时期的单胞组成的三维正交织物数值模型。研究结果表明:织物单胞的微观几何结构受相邻单胞的影响,在织造过程中发生变化;最上层和最下层纬纱的应力高于中间层纬纱;模型较为准确地描述了纱线的卷曲、路径和横截面形状等织物的主要特征。

不同层数和穿筘方式的正交织物复合材料隔声性能研究

以玻璃纤维为原料,在SGA598半自动小样机上织造正交织物,使用真空辅助成型法制作正交织物复合材料,探讨不同层数、不同穿筘方式的正交织物复合材料的隔声性能,结果发现:层数越多的正交织物复合材料,纤维体积分数增大,其隔声性能越好;层数相同时,4/2穿筘方式的正交织物复合材料的隔声性能要优于2/2穿筘方式的正交织物复合材料。

基于数字单元法的三维正交织物微观几何结构建模

为了反映织物内部纱线的空间构型和微观几何结构,针对在织物建模过程中,因忽略纤维间的相互作用而引起的纱线截面形状变化的问题,基于数字单元法理论,提出了一种计算纤维间摩擦力的方法。通过纱线纤维化离散,用数值模拟和仿真方法模拟三维正交织物成型过程,建立了5种精度递进的微观几何结构数值模型。5种模型中的每根纱线分别由4、7、12、19和37根数字纤维表征。研究结果表明:随着纱线纤维化离散程度的提高,仿真时间延长,织物厚度减小,纤维体积分数增大,节点平均作用力下降速度变缓,势能变小;当每根纱线由19根数字纤维组成时,所建织物的微观几何结构数值模型与真实织物样本在显微镜下的内部切片图像较为吻合。

不同纱线张力下的三维正交织物微观几何结构建模

从织物组织入手,建立纱线截面形状为圆形的三维正交织物拓扑结构。在此基础上,采用数字单元法理论在纱线首尾两端施加周期性边界和恒定张力,并通过纱线纤维化离散方法,将纱线分为既定数量的数字纤维,进而改变其截面形状和空间构型,实现织物织造成型过程的动态仿真。研究结果表明,施加较大的经纬纱张力及较小的接结纱张力,所得数值模型的经纱与纬纱厚度均匀且能保持伸直状态,接结纱截面变化情况与真实正交织物相符。当经纬纱线张力为0.2 N、接结纱张力为0.01 N时,织物数值模型厚度与实验值仅差9.55%,其微观几何结构与织物样本显微图像吻合度较高,验证了数字单元法理论在织物亚纱线尺度建模的有效性。

正交三向织物增强铝基复合材料的高温拉伸力学行为与失效机理

针对真空压力浸渗制备的正交三向织物增强铝基复合材料,采用实验与数值模拟方法研究了高温(400℃)下的准静态拉伸力学响应及损伤演化与失效行为;根据纱线微观组织和织物结构分别建立了微观和细观尺度代表性单胞,基于组分材料的温度相关的性能参数构建微观单胞有限元模型,计算获得不同温度下纱线的横向和轴向力学性能,进而采用包含基体、纱线、界面的细观单胞有限元模型分析了复合材料热应力和高温拉伸力学行为。结果表明:室温下复合材料存在与织物结构相关的非均匀分布的残余应力,纳米压痕法测得的残余应力与模拟值基本一致,高温状态下残余应力得到释放并使基体和纱线分别处于压应力和拉应力状态;复合材料的高温拉伸模量、极限强度和断裂应变的实验均值分别为107.1 GPa、657.1 MPa和0.78%,均匀化计算的高温拉伸曲线与实验曲线总体上吻合。拉伸初期纱线交织处的基体和界面首先发生损伤,捆绑纱弯曲部位出现局部失效,但复合材料表现出线弹性力学行为。随着拉伸应变增大,捆绑纱和纬纱先后发生断裂,且二者与基体之间的界面出现脱黏现象,拉伸曲线开始表现出非线性特征。拉伸后期经纱失效区域的扩展使得拉伸切线模量明显下降,经纱的轴向断裂最终导致复合材料失去承载能力。数值模拟和断口分析表明,纬纱和捆绑纱因横向开裂而形成较平整的断裂面,经纱轴向断裂后拔出长度参差不齐,其断口存在纤维拔出及其周围基体撕裂破坏的微观特征。

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。

三维层层正交复合材料冲后压缩有限元仿真

为了了解三维层层正交织物复合材料冲后压缩的损伤起始和发展,本文建立有限元模型并将有限元仿真结果与冲击及压缩实验结果进行对比进而验证所建立模型的有效性。通过对复合材料进行12 J能量低速冲击及冲后压缩实验获取损伤形貌与响应曲线。基于计算效率和损伤细节的考虑,本文建立了介观尺度下的有限元模型,并采用二步法分别模拟两个实验过程。模型包含两个部分:树脂基体和浸渍增强纱线。两部分选用不同的损伤准则模拟其损伤的起始和发展。最后将仿真结果得到的力–时间曲线、载荷–位移、复合材料表明损伤形貌、浸渍增强纱线断裂情况与实验结果进行对比,验证了有限元的模型的可靠性。

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。

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。

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。

用于正交各向异性织物仿真的弹簧质点模型

针对正交各向异性织物,本文提出了一种含附加节点的三角形弹簧质点模型.通过冗余自由度的引入和缩聚,能够实现有限元模型和弹簧质点模型三角形单元刚度矩阵的精确相等;据此,针对一般正交各向异性材料常数和单元形状,推导出弹簧质点模型中弹簧刚度系数及附加节点位置的解析表达式,有效解决了传统弹簧质点模型在正交各向异性织物仿真中存在的计算精度不高、弹簧参数选取随意等缺陷;并进一步完善了基于弹簧质点模型的柔性织物空间变形算法.数值模拟表明本文提出的弹簧质点模型和变形算法在进行织物仿真计算时,具有精度好、通用性强等优点.

碳纤维三维圆筒织物的织造工艺实验探究

三维织物具有良好的力学性能及层间性能优势,实验中用7200d碳纤维在自制筒子架上预置适当张力制成弹力丝,在8层三维织机上反复实验,确定最佳浅交弯联层数为5层和最佳贯穿正交织物层数为7层。通过多次试验,优化上机工艺参数,设计出5层浅交弯联织物及7层贯穿正交织物的织物组织图及纹板图。采用顺穿法在0.75筘板上按4/4/3和5/6组穿筘。通过改变经纱与芯模之间的夹角改善碳纤维无捻度、耐磨性极差造成织造过程中开口不清的缺点,织造出两种圆筒状三维织物。最终得出结论:5层浅交弯联织物质地柔软,强力低,适合加工成工业管道运输中所使用的管状材料;7层贯穿正交织物表面相对平整,强度高,适合做航空航天中的飞行器外壳的材料。

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。