MICRO MECHANICAL ANALYSIS OF 3-D WOVEN COMPOSITES

A micro mechanical model is carried out to predict micro stresses and macro elastic properties of 3-D woven composites. A unit cell is composed of two phases. One is fiber yarn and the other is resin or fiber yarn in transverse. The additional shearing introduced by bending of fiber yarn is considered. The method to determine the microstructure is also discussed. This model is applied to the analysis of a 3-D woven graphite/epoxy composite. Micro stresses of the cell are studied, and then macro modulus is obtained by employing the average method. The predictions agree well with experimental results.

3-D机织异型件角连锁接结结构设计探讨

阐述了三维(3-D)纺织异型件在国内的发展现状,介绍了3-D异型件的定义及其特点。在前人研究3-D角度连锁机织物组织的基础上,对T型、工字型及纬向回型这三种典型的3-D异型件进行角连锁结构设计。最后,指出采用角连锁方式设计的3-D异型件也能在普通织机上制织。

3D机织复合材料卫星桁架接头的抗弯刚度研究

为了研制高性能复合材料卫星桁架接头,采用三维有限元分析技术,分析了三维整体织物增强的碳纤维卫星桁架接头三通制件的等效抗弯刚度和内部应力分布,并与制件的三点弯曲实测结果进行了对比.结果表明:三通制件的等效抗弯刚度可以用有限元软件快速、方便、准确地计算出来,并可提供制件任意部位的应力分布状态,为优化制件结构设计提供理论依据.弯曲破坏实验的破坏载荷未能真实地反映接头的最大抗弯破坏承载能力,3个方管的根部应力尚未达到材料的破坏极限.

树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究

通过拉伸、弯曲、压缩等实验,评价了4种不同结构的三维机织角联锁织物增强的碳/树脂基复合材料结构与力学性能的关系。结果表明:对于纤维体积含量相近的4种不同结构的3D机织复合材料而言,它们之间的拉伸、弯曲、压缩性能差异很大,在2倍左右;衬经纱和衬纬纱可以显著改善力学性能;纤维与树脂之间的界面破坏-脱粘是3D机织复合材料最先发生失效的形式;带衬经衬纬的No.1结构复合材料的综合力学性能最佳。可以推断,改进界面结合力能大大提高3D机织复合材料的力学性能。

三维机织物织边造型工艺设计

为满足市场对不同种类三维机织物的需要,提高多剑杆织机的产品适应性,在分析现有三维机织物造型工艺优缺点的基础上,提出了一种在多剑杆织机上织造三维机织物的新型造型工艺即织边造型工艺。结合新型工艺的需要,对现有多剑杆织机的织边系统和打纬机构的结构进行了改进设计,简单介绍了这种新型工艺的织造过程。通过在小样织机上试织,按照工艺织造出圆形横截面仿形织物。实验结果表明,织边造型工艺应用于复合材料预制件的织造会在一定程度上提高织机对更多织物产品种类的适应性,同时可解决织机因层数限制而不能织造壁厚较大的空心机织物的问题。

三维机织复合材料纱线观测与细观几何模型

通过对三维机织复合材料细观切片拍照,追踪材料内部纱线各个截面的形状和形心坐标,从而确定三维机织复合材料纱线真实细观形态和轨迹。并据此建立了一个新的三维机织复合材料几何模型,计算了三维机织复合材料的纤维体积含量。结果表明:该模型能够较好地反映三维机织复合材料内部的真实结构,为建立更精确的力学模型打下基础。

碳纤维预成型立体织物纤维表面处理及效果评价

对三维正交编织碳预成型物中的纤维表面进行了空气等离子体处理研究， 采用微脱粘技术评价了其复合材料的界面结合性能。结果表明， 处理后复合材料的界面结合性能有较大幅度的提高， 并且织物表层区域纤维表面与织物内部区域纤维表面改性效果基本等同。同时。

基于气缸的三维机织增强体织造系统设计

为在经纱方向引入贯穿织物厚度的接结纱从而提升机织增强复合材料层间性能,以三维正交无卷曲机织增强体为对象,设计了一种窄幅三维机织织造系统。采用气缸作为开口、引纬和打纬的主要驱动部件,实现多重综框的独立开口运动与管状多剑杆机构的多层梭口同时引纬运动,并在可编程控制器上实现各机构协调运作,使经纬纱垂直平铺,接结纱与纬纱交织并贯穿织物起到层间约束作用。通过显微镜观察三维机织增强复合材料各个切面(分别沿经纱、纬纱和接结纱),并测量纱线卷曲度、横截面积、组织单元尺寸等关键几何参数。测量结果表明,这种三维机织系统可实现三维正交无卷曲机织增强体的织造。

三维正交机织复合材料单胞特征单元及其应用

基于三维正交机织复合材料,提出了一种特征单元均匀化分析方法。用“特征单元”来表示能够反映单胞的几何构造细节和材料构造细节的单元。首先用一般有限元方法对三维正交机织复合材料单胞进行分析得到总体刚度矩阵,利用该矩阵的特征向量建立了单胞的特征单元。通过比较特征单元的刚度矩阵元素和利用传统均匀化方法得到的刚度矩阵元素,说明了特征单元能够反应单胞的几何构造和材料构造细节。为了验证特征单元的有效性,分别用特征单元、传统均匀化方法和一般有限元方法计算了三维正交机织复合材料梁的固有频率,结果表明特征单元精度比传统均匀化方法高,而计算量比一般有限元方法大幅度降低。

多剑杆织机三维织造研究

文章分析了多剑杆织机织造原理 ,对使用多剑杆织机制织的不同结构的立体织物进行了研究。

交叉T型三维机织物一次成型结构设计

为进一步改进三维结构纺织产品的成型性、适用性、稳定性,对T型+柱体内置纱线的立体混合造型结构设计方法进行研究。充分运用3-D织物组织结构设计方法,采用纬向正交结构,确立一次成型织造加工的纬纱路径,设计出交叉T型三维机织物。研究结果表明:通过合理的纬纱路径设计,与纵向多层排列经纱交织,可以达到特殊造型三维机织物一次成型的结构要求。该研究对基于正交组织结构复杂造型复合织物预制件的设计方法具有一定的参考价值。

锯齿形三维机织间隔复合材料的弯曲性能

为解决层合间隔复合材料易开裂和整体性差的问题,采用绿色环保的玄武岩低捻长丝作为经、纬纱,合理设计经向截面图和组织图,并在普通织机上织造3种不同间隔高度的锯齿形三维机织间隔织物。以所织得的锯齿形三维机织间隔织物作为增强材料,环氧乙烯基树脂作为基体,利用真空辅助成型工艺,制备锯齿形三维机织间隔复合材料,同时对三维机织间隔复合材料进行三点弯曲性能测试,得到弯曲载荷-位移曲线、能量吸收图和破坏模式。结果表明:复合材料的纬向是主要承力方向;组织循环个数越多的材料表现出更好的弯曲性能;在一定间隔高度范围内,间隔高度越高的锯齿形三维机织间隔织物承受的弯曲载荷和吸收的能量也越高;锯齿形三维机织间隔复合材料的破坏模式是材料上表层受压,下表层受拉,而连接层受压;在作用力下材料只是出现明显的变形,但并未出现材料整体的破坏。

三维多剑杆织机织边方法的研究

通过对三维多剑杆织机织造原理的分析,探索三维多剑杆织机边部的织造方法,提出了两种切实可行的实施方案:针织套圈法和交织法.实验证明采用针织套圈法织边效果更优.

三维正交机织复合材料弹道冲击实验及破坏模式

本文用钢芯弹对三维机织复合材料作弹道冲击测试。得到了弹体的入射速度和剩余速度,比较了常见几种材料的弹道性能评价参数的差异,并考察侵彻破坏模式和靶体最后的损伤破坏形态。在300-800m/s冲击速度范围下观测了材料的冲击破坏形态,发现机织复合材料受弹面和子弹出射面破坏形态不一样,受弹面主要是以纤维的压缩、剪切破坏以及基体开裂为主,出射面以纤维的拉伸、厚度方向的纱线断裂为主要破坏模式。通过对破坏模式和形态的分析,可以帮助建立更加准确的破坏准则,从而在设计抗弹材料时起到一定的作用。

三维织物结构设计

介绍了三维织物的特点,着重介绍了三维机织物的性能、用途以及结构设计原理和设计要点,并对几种典型的三维机织物预制件的结构设计进行了详细说明。

田字形立体机织物的研究及织造

为得到日益广泛应用于产业用纺织品领域的田字形结构立体机织物预制件 ,采用压扁法使字形中的竖线压平 ,与横线组成 2层或 4层织物 ,再仔细组合投梭路线使每层织物均织入两纬 ,从而得到完整的立体字形结构。通过样品试织 ,阐述了利用二维织机织制田字形复合材料预制件的织造方法、重点与难点 ,实物显示采用压扁及组合投梭路线的方法得到立体字形织物切实可行。

箱框型增强织物的结构设计与织造工艺

箱框型三维机织物是制作复合材料用的一种预制件.结合上机织造实践,从组织结构、组织参数和上机图3个方面阐明了其结构设计理论和织造工艺,并分析了送经卷取机构运动的特点、织口位置变化的规律以及所需的梭子个数.

三维机织复合材料的弯曲疲劳性能

在材料测试系统MTS上,采用三点弯曲加载方式对超厚三维正交机织复合材料(玻璃纤维/不饱和聚酯)分别进行静态及疲劳试验,对该材料的疲劳性能进行探索和预测。结果表明,材料的疲劳衰变主要分为3个阶段:产生小裂纹的初始阶段;损伤累积扩张阶段;材料刚度加速退化,疲劳破坏阶段。材料中纤维的体积含量不仅对其静态力学性能影响很大,对弯曲疲劳性能同样起到决定性作用。通过对弯曲疲劳加载后的剩余模量进行理论分析,验证了理论分析和实验数据之间的一致性,为实际预测复合材料剩余模量提供了依据。

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。

三维角链锁机织物弹道侵彻性能实验研究

选用一种三维角链锁组织结构进行实弹侵彻测试,研究三维角链锁机织物的弹道侵彻性能。实弹测试时,由靶道两侧两对发光二极管测试弹体入射速度与剩余速度,并结合弹体和织物靶体几何结构参数计算三维角链锁机织物的弹道侵彻性能指标,从而预测三维角链锁机织物的弹道侵彻性能。实弹测试后采用微距相机观察织物靶体实弹侵彻后的变形与破坏,从而揭示三维角链锁机织物的能量吸收机理。