（纺织材料与纺织品设计专业论文）三维多向编织复合材料压缩性能研究.pdf

摘要 从二十世纪八十年代开始，三维编织复合材料由于其优越的力学性能，而得到越 来越广泛的研究和应用。压缩性能是表征其力学性能的一个重要的指标。本文从三维 编织复合材料的压缩测试系统，实验分析等方面，对三维编织复合材料压缩行为进行 了比较系统的研究，提出了一些新的观点、新的方法。同时，本文还研究了三维六向 编织预成型件的细观结构，并建立了相应的单胞模型。 单胞的合理划分对三维编织预成型件的微观结构分析具有重要作用。本文通过实 验，观察了三维六向编织预成型件的真实结构，以及纱线形态，提出了纱线的横截面 假设。同时采用控制体积单元法，根据编织过程中携纱器的运动轨迹特点，结合实验 观察，系统地研究了三维六向预成型件的纱线拓扑结构，识别了预成型件的内部和表 面单胞模型，并导出了编织结构参数之间的关系。计算了纤维体积含量。实验数据和 理论预测吻合较好。 本文对三维编织复合材料的压缩测试方法进行了较为深入的研究。参考国内外的 相关标准和测试装置，设计了用于三维编织复合材料的压缩性能测试的装置，并在实 验室的日本岛津( s h i m a d z u ) a g 2 5 0 k n e 型万能材料试验机上，完成了对不同编 织结构、不同编织角、不同纱线构成的三维编织复合材料试样的压缩行为测试实验。 对实验数据进行处理和分析，分析了三维五向、六向编织复合材料压缩性能与编织工 艺参数之间的关系，以及复合材料的压缩应力一应变关系等，总结了三维编织复合材料 的压缩破坏机理，得出了有价值的结论。 目前，国内外三维编织复合材料压缩问题的研究相对较少，因此本文的工作无论 对于三维编织复合材料压缩性能实验方法和理论分析方面的研究，都具有比较重要的 意义。 关键词：三维编织，三维六向，细观结构，压缩性能 a b s t r a c t f r o mt h e8 0 so ft w e n t yc e n t u r y , t h r e e d i m e n s i o n a lb r a i d i n gc o m p o s i t e s ，f o ri t s e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，h a v eb e e ng o tm o r ea n dm o r ee x t e n s i v er e s e a r c h e s a n d a p p l i c a t i o n s c o m p r e s s i o np r o p e r t i e s a r ea ni m p o r t a n t g u i d e l i n e t oc h a r a c t e r i z ei t s m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e t h ec o m p r e s s i o n b e h a v i o ro ft h r e e d i m e n s i o n a lb r a i d e d c o m p o s i t e sw a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yw i t ht h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d ，a n ds o m en e w o p i n i o n sa n dm e t h o d sw e r ep r o p o s e d i na d d i t i o n ，t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h r e e d i m e n s i o n a l s i x - d i r e c t i o n a lb r a i d e dp e r f o r m sw a ss t u d i e d ，a n di t su n i tc e l l sw e r ee s t a b l i s h e d c o m p a r t m e n t a l i z i n gt h eu n i tc e l lr e a s o n a b l yi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h em i c r o s t r u c t u r e a n a l y s i so ft h r e e d i m e n s i o n a lb r a i d e dp r e f o r m s t h er e a ls t r u c t u r ea n dt h ey a r ns h a p ei nt h e p r e f o r mw e r eo b s e r v e db ye x p e r i m e n ta n dt h ea s s u m p t i o nw a sb r i n gf o r w a r do ft h ey a r n s c r o s s s e c t i o ni nt h et h r e e - d i m e n s i o n a ls i x d i r e c t i o n a lb r a i d e dp r e f o r m ，i nt h i sp a p e r , a v o l u m e c o n t r o lm e t h o dw a sa d o p t e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n ，t h ey a m s k e l e t a ls t r u c t u r ew a sp r e s e n t e da n dt h ei n i t i a lc e l la n dt h es u r f a c ec e l lw e r ei d e n t i f i e di nt h e p r e f o r m a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nb r a i d i n gp a r a m e t e r sw e r ed e d u c e d f i b e rv o l u m e f r a c t i o nw a sp r e d i c t e d ，a n dag o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t sh a sb e e ns h o w n t h ec o m p r e s s i o nt e s t i n gm e t h o dw a ss t u d i e di nd e t a i l r e f e r r i n gt ot h ec o r r e l a t i v et e s t m e t h o d sa n ds t a n d a r d so ff i b e r - r e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ，t h et e s t i n gd e v i c ew a sd e v e l o p e d a l l s p e c i m e n sw i t l ld i f f e r e n tb r a i d i n gs t r u c t u r e b r a i d i n ga n g l ea n dy a r nd i a m e t e rw e r eb r a i d e d a n dc o n s o l i d a t e di no u rl a b t h ee x p e r i m e n tw a sd o n eo nt h es h i m a d z ua g 一2 5 0 k n e m e c h a n i c a lt e s tm a c h i n e ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ed e a l tw i t h c o r r e c t l y , a n dt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc o m p r e s s i o np r o p e r t i e sa n dt h eb r a i d i n gp a r a m e t e r sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e df o rt h r e e d i m e n s i o n a lf i v e d i r e c t i o n a la n ds i x - d i r e c t i o n a lb r a i d i n gc o m p o s i t e s f i n a l l y , t h ec o m p r e s s i o nf a i l u r e m e c h a n i s mw a ss u m m a r i z e da n ds o m ev a l u a b l e c o n c l u s i o n sw e r er e c e i v e d a tp r e s e n t ，t h es y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho nt h e c o m p r e s s i o nb e h a v i o r o ft h r e e d i m e n s i o n a lb r a i d e dc o m p o s i t ew a sl i t t l e s ot h ew o r ko ft h i sp a p e rw i l lh a v es i g n i f i c a n t m e a n i n g sf o rt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n so ft h r e e - d i m e n s i o n a lb r a i d i n g c o m p o s i t e s k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a lb r a i d i n g ，t h r e e - d i m e n s i o n a ls i x - d i r e c t i o n a l ，m i c r o s t r u c t u r e ， c o m p r e s s i o np r o p e r t i e s 独创性声明 r 7 9 7 磊7 5 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些盍堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：襻签字日期瓣7 月括日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些盍堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：瓣 签字日期：p s 年j 月a 岁日 导师签名： f 专孔1 签字日期：协 年月z r 日 学位论文的主要创新点 一、本论文采用控制体积单元法，并结合实验观测，描述了三维六 向编织预制件中编织纱的空间取向，确定了三维六向预成型件的内 部单胞、表面单胞，以及编织工艺参数之间的关系。 二、参考其他纺织复合材料压缩性能的测试与分析，设计了三维编 织复合材料的压缩实验夹具。 三、结合实验结果和现象，分析了三维编织复合材料的压缩破坏机 理通过对实验数据的分析，确定了编织角、编织结构、纱线细度等 参数对三维编织复合材料的压缩性能的影响。 第一章概论 第一章概论 三维编织结构复合材料照近年来迅速发展起来的先进复合材料，由于三维多向编 织可以实现净形状尺寸立体织物的编织，丽且纤维在复合材料厚度方向连续贯穿，使 褥笈含褪糕簿发魏强度、簿爨秘注、损经黎辍等挂l 褥溺大丈提毫，褒绩掏耪辩领域 中澎到极大关波，而日渐成为复合材料的研究热点。美溺从二十世纪6 0 年代就开始研 究三维编织复合材料，9 0 年代已基本实现工程化应用【l l ，国内从八十年代开始研究立 体织物增强复合枣孝辩。爱藩，三维编织复余材料已经在航空、航天等赢辩技领域襻到 了广泛的痤瘸，在撬械工蝗、铁路税车、遮船、医疗嚣械、生物嚣疗誊季精露运动嚣耪 等行业，也具有广泛的应用前景。 三维编织复合材料的一个重要性能就是它的结构和力学性能的可设计性，这是与 它貔增强薅三维编缓羲残整黉豹缝梅密韬穗关魏。三维编织复会榜瓣特定豹缨鼹 结构形式，具有很大的结构设计灵活性，贿编织角、体积含量、及不闰的增强结构等 都可以根据需骤进行设计。藏确描述它的细观结构。了解材料中纤维柬的走向、黛织 方式，叹及其裁嚣形状，对予三维编织复会糖料静幸 算枫辕助设计和菇季中力学性熊的 预报，以及榜辩静合理运惩，其有很大静攀术和工程瘦糟价值。 为了充分研究和利用三维编织复合材料的各种性能，新的编织结构不断地被开发 出来。三维到髓前为止，除了广泛应用的三维四向、五向编织复合材料，人们也将目 必授淘了三维六淘，乃至更多淘瓣编织笺套糖耱魏臻究，探寻毒季褥黢不霜维穆窝力攀 能能，以及它们之间的关系。 同时，有芙三维编织复龠材料力学性能的实验研究也广泛展开，并取得了不小的 逐熳。其孛，对三维编织复念桴辩豹拉律、弯兹和赘切镣性能豹研究鞍多【2 嘲，丽对鹾 缩性能方丽静研究较少，报邋较多的是屡食板与单向赘含材料等传统纤维增强复含材 料的压缩性能和破坏机理的研究【7 “2 1 。但幽于编织复合材料的结构独特性与复杂性， 传统复合材料溅论不适合编织复合材料的力学性能分析。而且压缩性能是材料的熬本 力学往髓，在诲多瘦弱凌合审霭要考瘩裂。因筵，有努癸繇究三维编织复舍捶辩戆嚣 缩性能，了解它的破坏模式和机理。 。 因步法量维编织籀余 基本的四步法三维编织风有一个纱线系统，纱线的逡动方式随编织机形式的不间 两嚷有不同。躁髓其构成形式主要有两种：一种是螽譬轮结构，另萃中是行列络构， 冀结构篱图努麓翔鍪i - - i 、l 2 所示。移翔结梅编缓橇楚痤爱较多黢释形式，本文 第一章概论 的试件即是在这种编织机上编织而成。 在角导轮结构中，纱锭被安放在角导轮的缺口中，角导轮的转动带动纱锭运动， 同时将纱锭从一个角导轮传递到另一个角导轮上，从而使纱锭在整个机器底盘上产生 有规律的运动，使纱线相互交织交叉而形成织物。 图1 1 角导轮结构简图 图1 2 纵横步( 行列式) 结构简图 在行列结构中，携纱器被安放在行列结构的轨道槽中，可以沿行和列的方向分别 运动，从而使携纱器从一个轨道的某一位置运动到另一个轨道的另一个位置上，不同 的携纱器运动规律不同，使纱线相互交织交叉在一起而形成一个不分层的整体结构。 在编织过程中，纱线在机器上的排列经过四个运动步骤，又回复到初始状态。因此， 第一章概论 又称“四步法”编织。 采用三维整体编织制造的复合材料制件，具有整体性和力学的合理性两大特点。 从编织、复合，到成品不分层，无机械加工，或仅做不伤害纤维的少量加工，从而保 持整体性。另外，在编织过程中，还可以沿某个方向加入“不动纱”，使材料在某个方 向的性能得到特别的增强，发挥复合材料的各向异性特性，使结构更合理。比如在四 步法三维四向编织的基础上添加轴向不动纱，携纱器运动规律不变，就形成三维五向 编织【l4 】。在五向编织的过程中，沿携纱器行或列的方向添加不动纱，即六向纱，就可 得到六向编织预成型件。本文研究的六向编织预成型件既是在工艺加纱比例为1 ：1 的五向编织的过程中，在行方向添加不动纱编织而成的。 1 2 编织复合材料单胞模型的研究 三维编织复合材料及其预成型件的微观结构是设计和预测三维编织复合材料力学 性能的基础。从上世纪八十年代开始，国内外学者就展开了三维编织复合材料微观结 构的研究，其中影响较大的依次有下面几个单胞分析模型。 1 9 8 2 年，f r a n kk k o 1 5 1 首先基于四步法1 l 方形编织结构，提出了一种三维 编织预成型件的“纤维构造”首先引入了单胞模型的理论。该单胞是一个立方体， 与预成型件取向相同，高为一个花节长度。在单胞内，沿长方体对角线延伸的四根纤 维束相交于一点，每个纤维束与编织轴向的夹角为编织角y 。如图1 3 所示。在单胞 中虽然没用对纱线的具体形态、走向等做具体的分析，但具有很重要的意义。 图1 - 3f r a n k 单胞模型 q y o u q iw a n g 和a s d w a n g 1 6 _ 1 8 】详细分析了三维四步法1x1 编织过程，给出 了纤维束在编织过程中的运行方式和纤维束之间的关系，采用控制体积的方法对三维 编织预成型件的拓扑结构进行分析，得出结论认为预成型件中纱线的一般拓扑结构取 第一章概论 决于编织机理，而与预成型件的形状没有直接关系，并建立了三维四步法编织预成型 件的单胞结构模型。内部单元体被细分为a 和b 两个子单胞，单胞的构造、组合以及 纱线的空间排列如图1 4 所示。 ( c ) 图i - - 4w a n g 的单胞构型 ( d ) 1 9 9 4 年，王峥分析了三维五向编织预成型件的细观结构。三维五向编织预成 型件是一种纵向加入不动纱的特殊三维编织物，五向纱是影响其细观结构的重要因素。 经过比较和分析得出：五向纱的比例越大，三维五向编织的细观结构与普通四向编织 物相比就越不同，相反则与三维四向编织物的结构越相近。在不同加筋比例的三维五 向编织物中的单元体模型，五向纱均夹在编织纤维束之间，即编织纤维束被五向纱分 隔开，并分析了五向纱的截面形状，认为五向纱在受到编织纱的挤压力后，截面变成 了类似正三角形的不规则截面。 1 9 9 5 年，韩其睿、李嘉禄和李学明 1 9 】提出了一个单胞模型，单胞体为一个立方 体，编织纱线沿四个不同方向延伸，并考虑到纤维的宏观尺寸，将编织纱截面假设为 椭圆，并推导了有关参数之间的数学关系。 1 9 9 6 年，b y u n 和c h o u 2 0 1 等全面研究了三维二步法和四步法编织复合材料的细 观结构，提出了的由五个单元体组成的单胞模型，确定了关键的编织参数、纤维束挤 压限制几何条件和纤维的取向及体积含量等微结构特性。五个单胞的几何形状均为平 第一黎概论 行六面体，且仅禽有一根编织纱。其中，四个单胞中的编织纱线位于六面体的对角线 方向，另一个单胞的编织纱部分位于六灏体的上表聪，一部分位予六面体的对角线 上。并在编织纱熬横截嚣蕊糕溺戆穰设基磷上，接导逡了编织缝稳参数之霆豹美系。 1 9 9 9 年，陈利等1 2 i j 采用控制体积单元法和实验拥结合的方法，根据携纱器禚编 织中的对偶交换特性，定义了内部、表面和角部三个区域的控制体积单元，并分别建 立如图繇示三个送域豹单骢，嗣薅考虑了缀缓纱线的填态因子，分攒了编织工艺参数 之间的关系。革胞高度均为个花节长度。单胞模型如黼l 一5 所示。 编飙霸y 蔓 l y e 一x 内部单胞褒简单胞 角单胞 鞫l 一5 擎藤模型 李典森等阱】从三维编织复合材料的水平投影圈洳发，并根据携纱器的运渤规 律，建立了三维蕊向编织复材料的单胞模型，确立了编织工艺参数之间的数学荧系。 陈利等f 2 3 l 采遥控制体积的方法分攒了三维甄肉编织颈藏型 牛中纱线豹运动燃 律，并用最，l 、二乘法对孬紧王彦磊静纱线黧闯取彝迸露缀合，褥舞了三维图自编织联 成型件的单胞模型。 总之，对三维编织复合材料细观结构模型的研究，经历了从单纯的“米”字烈单 魏潮寇摇瘛郝攀貔、表瑟零魏帮囊摹魏豹浚交，美及逶避实验跨擎藏遴簿验涯，缓羧 进盾的单胞模型更加真实地威映了三维编缎复合材料的细观结构。 。3 三缝编织复含材料殛缝性筑研究琨状 1 3 1 纺织复食材料压缩实验方法研究 实验方法与糖瓣豹性能溅试豹会理鳇、数据霹靠接爨甥摆关。因憩，罾肉餮掌学 都对纺织结构簸合材料压缩憾能测试方法投入较多的精力，并做出了许多有意义的探 讨、研究和总结 2 4 - 2 8 1 。对于三维编织复合材料，由于宦上世纪六十年代才出现，柱国 内淑现的更晚，瓣此，三维编织复合材料鸵疆缩性能测试方法还处予探索、实验阶段。 a d a m s l 2 9 镰究了单蠢绎缭增强复合榜瓣豹压缩灞试方法，稽逡纤维增强复合孝芎瓣 第一耄概论 轴向压缩试验的破坏形式大多是失稳破坏，从典型的按个试件横截面的纵向失稳剥周 部个别纤维的缎微失稳，丽熙试验装薰对试验数据有较大豹影响。文章中讨论了 c e l a n e s e 压缭装黉( a s t md 3 4 1 0 - - 7 5 ) 、i i t r i 压缝装嚣等忍耱不弱数试验装萋，疆 出了它们的适用范围和存在的问题。同时，文章给出了他们自行研制的测试装置，指 出试件在这种装鼹下达到了典型的轴向压缩破坏形式。遗对纺织结构复合材料，包括 三缝缡缓复会毒季辩豹压续测试方法豹磅究必蠢缀大艴理论秘实验铨攘。 p o t t e r 等p 埘以石墨环鬣朦合复合孝辛籽为例，对试僻尺寸规格与笈合毒手料压缩性 能实验结果之间的关系做了研究。实验采用端面直接加溅方式，发现试件的断裂威力 与试件的高宽比和高度成反比，两破坏枫瑷没有明显变化。w i s n o m p 1j 综述了单向碳、 玻璃绎维嚣氧整合毒孝瓣等试传懿投 幸、嚣缝、葵镯牲戆测试懿数据，褥密结论：试伴 的舰格在一定稷度上直接影响实验结果。通过比较一系列层合板和单向纤维复台材料 实验数据，指出沿纤维轴向的压缩强度随糟试件尺寸的增加而降低。 强子楚【3 2 】趱囊隈元方法瓣复合誊孝辩懿聪缝牲熊麴不阏试验方法进行了分辑，放理 论和数值计算方囱对压缩性熊实验方法进行研究。计算络栗表面三种加载方式，即蠕 面加载、剪切加裁和混合加裁，都在加强片的根部存在威力集中，而剪切方式尤其严 重，壤蟊加载及混合加载应力集中鞍小。端疆如载方式，需要侧面支揲，对实验缎果 遗成静影嫡分篾杂，实验绦莱藩搡终按本鹣猿赖往嚣鬻强，不至e 确戆搽箨往往建威 不合理的破坏形式，从而得出不合理的实验结果。对于混合加载，如仪从缓解应力集 中方面考虑，采用混合加载的效果不是十分显著，但在实际中，混食加载方式对克服 蘩壤擒载方式实验霹夔努l 潺，潋及痤交篾溪落等瑷象暴蠢缀努豹效聚，嗣霹又套效避 避免了端面加载时的端面局部压损。 压缩实验中试片的应变般都比较小，因此，应变片在纺织复材料压缩实验被 广涎使用。同l l 寸，应变片的规格也对能孬掇确复映实验结果有一定影响。p o e e 3 3 j j , m 过 实验对三维编织、二维立体缡织、三维立俸襁缓、缝合笼纺布静垂缭性能迸彳亍铡试。 指出，应变片猩得到应力一威变曲线、检验实验对中等澈程中，具有很大的作用。对 予纺织复合材料，当应变片的尺寸大于一个单胞时，模爨的变异系数小于5 ，并凰 应交片彝季l 枣纹缝票稳凑合。l a n g 等刚逶l 霆瓣孚纹撬织嚣墨拜氧复合檬辩夔力攀镶 能的测试，研究了应变片标躐对纺织结构复合材料力学性能测试数据的影响，指出应 变片标距适当。将大大降低测试数据的分散性，对于复杂单胞。应变片标距至少为 个擎照的尺寸。 总之，压缩实验受到多方褥箧素的影响，仍有诲多阕题需要解决。细试侔尺寸、 实验装置、应变片规格，以及实验操作等对实验的结果的准确和合理性有一定的关系。 对于三维编织笈含材料这种特殊结构的纺织复合材料，器探讨其压缩性能的影响因索， _ 莠确定适台豹溺试翡方法襄撂灌，还舂缀多王 筝要骰。瓣蘧，疆究念逶豹压缩实验方 6 第一章概论 法也是目前，乃至一段时间内的重要研究课题。 1 3 2 三维编织复合材料压缩- 眭能实验研究现状 压缩性能是材料的基本静态性能，也是材料力学性能数据的基本构成。目前，有 关三维编织复合材料压缩性能的实验研究大多集中在三维四向编织复合材料方向。而 且，由于三维编织复合材料还没有通用的相应标准，实验所用的试件规格和测试方法 等也不尽相同。 p u s h e n gc h e n 3 5 】等对四向、五向三维编织，二维立体编织和层合碳环氧复合材料 的压缩、弯曲性能进行了实验对比研究。其中压缩实验采用a s t md 3 4 1 0 标准，试件 规格长宽为1 2 7 m m 1 2 7 m m ，加强片为玻璃纤维增强塑料。实验表明，增强体的 结构影响复合材料的性能，沿复合材料轴向排布的五向纱使三维编织复合材料的轴向 压缩强度和模量有增加的趋势。s u r y ar k a k i d i n d i l 3 6 1 等人采用端面加载的测试方法， 对石墨纤维树脂基三维编织复合材料做了横向和纵向的压缩实验。所用试件的体积含 量在2 0 - - 4 5 之间，编织角在0 。- - 3 0 。之间。文章基于微观力学和实验观察，提 出了一种“加权平均模型”( w a m ) ，并建立了轴向和横向压缩强度和模量与纤维体积 含量、编织角的函数关系。h a r t e ，a m 1 3 7 】研究了三维编织玻璃纤维环氧复合材料管在 压缩载荷下的变形规律，并建立了细观力学模型来预测复合材料的破坏情况。 国内也有相关的文献报道。刘谦等【3 8 】采用矩形块状试件，进行了四向三维编织复 合材料的压缩试验。试件尺寸为3 0 m m 2 0 m m 7 6 r a m ，压缩速度为2 m m m i n 。通过 实验发现，在纤维体积含量一定的情况下，编织角越大，则编织复合材料的压缩强度 和模量越高；界面破坏对压缩破坏起决定作用。庞宝君t 3 9 等三维四向编织碳，环氧复合 材料进行了压缩实验，得到了应力一应变曲线和压缩试件的表面云纹干涉图，从断口 照片分析了材料的破坏模式，发现随着编织角的增大( 2 1 9 8 。- - 4 8 8 4 。) ，试件的破 坏形式由“脆性”过渡到“塑性”。其中，压缩试件规格为4 0 m m 2 0 m m 1 0 m m 。杨 红娜等【4 0 】研究了不同编织角的三维四向五向编织碳，环氧和铺层碳环氧复合材料的压 缩性能，通过实验发现三维编织复合材料，随着编织角增大，其纵向压缩性能变差， 而五向纱的加入有助予提高该方向的性能；此外，三维编织复合材料与铺层复合材料 具有不同的破坏模式。王波等【4 1 】对三维四向编织t 3 0 0 q y 9 5 1 2 双马树脂复合材料进行 了纵向和横向压缩试验，对试件的断面进行观察，发现纵向压缩为剪切破坏形式，横 向为界面破坏。 最近，卢子兴等【4 2 】对三维四向编织复合材料进行了宏观压缩实验，研究了三维四 向编织复合材料的抗压性能，同时对压缩试件的破坏断口进行了扫描电镜分析，从细 观角度分析了材料的压缩失效机理。实验表明影响纵向压缩力学性能的主要参数是编 织角；随着编织角的变化，复合材料的纵向压缩破坏机理发生了变化。此外也发现材 第一肇概论 料的横向和纵向压缩破坏机联不同。其中，试件均为矩形块状，尺寸为3 0 m m x 2 0 m m x6 m m 采用端灏加载的实验方法。 1 4 本课题的意义、目的和研究内容 本课题主要骞嚣个硬究逡容：六肉三缭编织复台材料粒缨褒结构；三缨编织复合 材料的宏观压缩性能试验。 三维编织复合材料作为一种新型的复材料，由于能具有整体昴彤性和净截面织 造簿优点和灵活的结构可设计性，倍受国内外航空、航天等领域和学术界的关注。目 蓊较广泛使躅懿楚三维西蠢编织麦含耪耱，它克服了传统层舍复合榜糕分屡、开裘敏 感，抗冲击损伤性能差等缺点，垂直结构方向强度得到很大提高，慨同时面内性能有 所下降1 35 1 ，不能适应某些场食的需要。因此有必要拓展三维编织复合材料的结构w 设 诗瞧，疆究五羯、六怒乃至曼多翔三维缡织复合薅辩，戳遥应未来发艨瓣耪辩豹嚣癸。 本谋题研究六随三维编织预成型件的纲蕊缩构，希望能够对三维六囱编织复合材拳章酌 应用和研究有所贡献。 本课题的另内容就是三维编织复合材料的宏观压嫡性能实验研巍。材料的广泛 合鬓侵焉与耱糕经髓豹全露磷究努不舞静。鏊内舔霹三绻编绥复会搴葶攀章力学毪髓懿装 开了系列研究。但由于三维编织复合材料的力学性能受警q 诸多因素的影响，对它的实 验研究还很不充分，尤其是对压缩性能的研究相对较少。而且，由于目前还没有三维 缓缀复合耪辩瞧缝溅试豹鞠美标准，各实验数据软乏耪纛毙较瓣菝摄。歪续蛙旋爨褪 料的基本力学骸能，探讨适食兰维编织复合材料的澳试方法和实验设备很有学术意义 和工程价值。同时，目前大多数涉及到三维编织复合材料压缩性能的文献，都是集中 到三维四向编织复合材料，对三维五向编织复会榜辩涉及不多，丽六淘编织复合孝芎燃 静邂少。西魏，希望本课瑟蠢芙三维编织笺合誊| 将嚣缭髋戆的实验研究麓够为避一疹 研究三维编织系剿复合材料的强度、破坏机理等问题奠定必要的实验懑础。 第二章三维六向编织预成型件的细观结构 第二章三维六向编织预成型件的细观结构 材料的结构决定了材料的力学性能，而三维编织预成型件的纱线构造决定了以其 增强的复合材料的细观结构，因此，对三维编织预成型件细观结构的分析就具有了很 重要的意义。预成型件的细观结构或纤维柬空间取向、形态和相互交织情况，以及纤 维体积含量等结构参数是确定编织工艺、材料性能的最基本的因素，也是研究细观结 构所要关注的重点。 本章主要研究四步法三维六向编织预成型件的细观结构。其中，三维六向编织预 成型件是以工艺加筋比例为1 ：1 的普通三维五向预成型件为基础制成的。通过两个步 骤来分析预成型件的细观结构：1 、实验观察。将完整的预成型件进行切割，在显微镜 下观察预成型件中纱线的真实走向和形态，识别预成型件的代表性单胞模型。2 、理论 分析。采用控制体积单元法，按照三维六向编织携纱器的运动规律，导出预成型件的 单胞结构。最后将两者结合，建立三维六向编织结构与编织工艺参数之间的关系：而 通过实验观测得到真实的细观结构也为计算机辅助设计和复合材料力学性能的分析与 设计打下基础。 2 1 四步法三维六向编织工艺 三维编织预成型件的拓扑结构主要由编织工艺决定。三维六向编织预成型件是以 工艺加筋比例为1 ：1 的普通五向编织物为基础编织而成，它的编织纱和五向轴纱的排 列与相同结构参数的五向编织预成型件排列相同。如图2 1 所示，为5 x 4 三维六向 预成型件的编织纱和五向轴纱在编织机机器底盘上的排列。图中，x 代表挂五向轴纱 的携纱器，o 代表挂编织纱的携纱器。 对于矩形截面预成型件，编织纱线的总根线可以通过主体纱的行数和列数来定义， 记作 m x n ，m 是主体纱的行数，n 是主体纱的列数，则编织纱纱线根数n l 和五向轴 纱纱线根数n 2 分别为： n l = m n + m + n ( 2 1 ) n 2 = m n ( 2 2 ) 总体纱线根数 n = n 1 + n 2( 2 3 ) 如图2 1 中，四向编织纱为2 9 根，五向轴纱为2 0 根，初始排列共需4 9 根纱。 第二章三维六l 甸编织颈成型俘的细观结构 图2 - - 2 为三维六向编织预成型件的携纱器在一个机器循环内的运动。图中康线所 示为六向轴纱的添加位置。编织纱线的携纱器的运动由沿亏亍和列的交替运动组成，与 翻步法携珍器运动步骤稳丽，纱线在携纱器的弓| 导下逶嚣运动察空中联淹。葵孛不弱 的一点是，携纱器每运动两步后，进行“打紧”，并沿行的方向加入六向轴纱，包括最 外层的边纱部饿。同样，在编织过程中，机器运动四步质，完成一个机器循环，一个 穰嚣循环蠡爱获褥熬疆或蘩锋长度稼为一个编织花节长发或编缀苓i 舔。重复上述缡织 步骤，纱线将椭亘交织在一起形成最终的预成型件。 0 圉2 一l 麓维六囱编缆颈成鳖馋豹纱线捺翔示意圈 i i ! x( x 母 x x h 一 _d女x 卿x 睁x 女x 睁 第二步 喾 一 国x x 静x $ x 1 每t f $ 第兰步 第四步 翻2 2 六趣编织预成型搏中携纱器逡韵规律 涉 辩； i i 第二章三维六向编织疆成型斡的纲观结构 2 2 细观结构嶷验观察 2 2 。1 颈成型搏准备 三维六向编织预成型件悬在天津工业大学复合材料研究所研制的三维编织机上， 采髑上述编织工艺，按照四步法l l 三维六囱编织颈成黧 孛编织步骤缡织两成。其中， 编织纱选用1 2 0 0 r e x 高强玻璃纤维，五障和六向轴纱选用1 2 0 0 k ( 约8 0 0 r e x ) 碳纤维。 预成型件下机平放4 8 d , 时( 没意在干燥过程中，尽量减少外力作用，以保证预成烈件 没谢意外变形) ，然后在火榻胶溶液中浸泡2 4 小对。颈成型件中纱线形态被固定下米， 圈辩也便于翻割。 2 2 2 纱线形态的实验观测 从预成型 串内部区域小避拆散出五向帮六向轴纱，在数字体橇鼹微镜下观测纱 线形态。图2 3 ( a ) 所示是麒中两根轴纱的形态，图2 3 ( b ) 和( c ) 分别是五向和六 向轴纱豹局部放大图。扶图中可以壹观地瓣出，在纤维艘播翘冠的条件下，六良纱沈 五随纱要扁平缀多；五向和六两轴纱虽然凝瑟略有屈蘸，僵箕轴线都自g 傈持平壹。藏 外，从图中还可以看出，由于预成型件内部纱线相互挤服使得五向轴纱表面形成一种 ( b ) 圈2 3 颈成螫辞蠹鄯轴咎纱线形淼 第二章三维六囱编织颈成型件的细躐结构 双螺旋线状的魇痕，纱线表面的纤维已不褥平行于纱线的轴向；而六向轴纱相对簧平 滑缎多，纤维嘲基本保持平行、顺直。 2 2 3 预成型件表面形态 圈2 w 4 所零海预成型传袭西图片。从中可以覆出，六囱纱将预成型传的表礤分黼 成熬齐的条带，两条带闻阻编绫纱的交织为过渡。 图2 4 预成型件表面图 图2 5 预成型件在沿编织角方向纵截面图 图2 5 给融了沿编织角方向，即图2 4 中直线5 所蜀鼍方向，切割预成型件所得截西 的图片。从中可以看出，纱线相互接触，处于一种挤紧状态。编织纱线的走向保持为 巍线，与圜肉编织预成型传中编织纱走向致。 治图2 - - 4 中所示壹线i 、2 的方懿，鬣沿平行予编织成墼方向切割颈成鍪终，掰 第二章三维六 趣编织颞成型 孛的细蕊缝构 得的预成型件的截面图片如图2 - 6 所示。从图中可以看到，不论有无五向纱，即不论 纱线是否处于拱紧状态，六肉纱靛横截面w 近似为等腰三角形，特别怒在有五向纱处， 丽驻囱纱基本僚撩直线，平行予颈或銎伟瓣辘自，编织纱藏覆接近平行圈透形。 图2 7 所示为预成型件的横截面图片。考虑到横向的六向纱在不同的位置具有不 同的存在状态，或有或无，融】比分别在预成型件的不问位置取其截戚进行观测，如图 2 - 4 中童线3 羁莲熬经受，羲羲纛子编织或羹方蠢。英孛( a ) 帮( b ) 分溺是有六囱纱豹 挤紧状态和没有六向纱的交织过渡状态。从图中可以看出，五向纱截面近似为等腰梯 形，梯形朝向与捆邻的编织纱迮向有关，相反朝向的梯形相问排列：编织纱截面i 黩似 麓平行疆透形，六淘缪薹零绦持壹线，奏塞予颈袋鍪静静辘囊。强2 - - 8 菇霰或鍪穆攘 截厢的局部放大圈。 强) 图2 6 预成型件纵截面图 第二肇三维六向编织颓成型 牛麴细麟结构 ( a ) ( b ) 图2 7 预成型件横截面图 图2 8 预成型件横截面局部放大闰 b ) 从遽攮戳嚣鼗溺霹翘，三维六囊缡织缝稳孛，编织纱线、五囊纱期六自纱潦本 保持伸直状态，五向纱和六向纱相互垂崽，编织纱在其中穿插并将蕊捆绑在一超，形 成整体结构。由于纱线间棚互挤压，各纱线的截面产艇了变形，编织纱线的截丽近 似为乎行四边形，五向纱和六良纱的截隧变为近似等凝梯形，且六向纱豹截面要扁平 一魑。 第二意三维六囱编织鞭成型释的细溉结构 2 3 基本假设 三维编织糍静缝擒受攫多因素豹影响，麴：工艺、终维、纱线藩力等。受播豫菜 些偶然因素的影响，建立三维六向编织物的细观模型，旗子对图片的分析，建立以下 假设： l 编织工艺稳悫，缡织装橡甥匀一致，至少在一定长发内翔_ l 龟； 2 ) 预成型件中所有纱线为无捻或弱捻的纤维束； 3 ) 在编织过程中，张力保持适当、稳定，编织纤维与轴纱所受的张力均匀一致； 4 ) 编织结稳楚予接紧状态，掰骞纱线其套攘闷魏纱线填充毽子。 5 ) 颓成型侔横截面内，内部编织纱线( 纤维束) 的截谳形状为平行阏边形； 6 ) 五向纱的加纱比例1 ：1 ，横截面近似为等腰梯形； 7 ) 六岛纱每两步翔一次，攮裁嚣近议为等鲠搽形； 8 ) 预成型件的脬度较其宽度小的多，因鼗，棱角结梅和淤簿度方向的袋西结构在分析 中可以忽略。 2 + 4 六商三缝编织臻成型佯的细臻攘毯 单胞的合理划分不仅对于兰维编织预成型件结构模拟非常重要，同时也是人们对 英逡孬力擎分撰瓣基礁。本文采蘑控毒l 镕获擎元法，羚瓣了羲成型魏孛纱线豹舞癸缝 构，对三维六向编织预成型件的内部单胞和表面单胞进行了描述，并推导出相应的工 艺参数计算。 2 4 。1 控制区域的选择 xxxx0x x 沪j 呷姻煳 一：屯- 固x 密x 卜* 乳* x 一电一 翻 遥 x 卜矧 e 鬻2 - 9 单臆控谁医域的定义示意豳 第二章三维六向编织预成型件的细观结构 从上面的横截面和纵截面图可以看出，三维六向预成型件中，四向编织纱、五向 纱与三维四向、五向预成型件中纤维束的运动具有一致性。因此，参考相关的三维四 向、五向预成型件细观模型【1 6 2 2 1 来建立三维六向预成型件细观模型。按照图2 1 所示 5 4 三维六向预成型件携纱器的初始排列，各控制体积单元分别定义如下：内部区域 的控制体积单元为初始位置的2 2 、2 3 、2 4 、3 2 、3 3 、3 4 、4 2 、4 3 和4 4 九个携纱器， 以及包含的五向轴纱所围成的矩形，分为a 、b 、c 、d 四个子区域；表面区域的控制 体积单元为携纱器4 2 、4 3 、4 4 和5 3 四个携纱器，以及相邻的五向轴纱所围成的矩形， 分为e 、f 两个子区域。它们在编织机底盘上的排列如图2 9 所示。从四步法可知， 每一个机器循环，纱线对应位置的运动规律是相同的，因此把一个花节长度作为单胞 的长度单位。 2 4 2 内部单胞模型 选取内部控制区域中a 、b 两个子区域所在的两行纱线，按照三维六向编织预成 型件的机器运动规律，顺次连接相应纱线，得到图2 1 0 所示的内部控制区域内的纱 线运动轨迹。其中细线代表携纱器的运动。单胞的划分必须考虑纱线的运动方向以及 打紧工序后，纱线的空间走向。用最小二乘法对打紧后相应纱线的运动轨迹进行拟合， 图中用粗实线表示。从图2 1 0 中可以清楚地看到拟合后控制体积内纱线的运动轨迹。 o r i $ i n 丑i l - s t e p 2 - s t e p 3 - s t e p ：l - s t e p 5 啼k p 图2 1 0 内部控制体积内纱线的运动轨迹 分别定义区域a 、b 对应的单胞为内部子单胞a 、b 。同理，可得到控制区域c 、 第二章三维六向编织预成型件的细观结构 d 内的予单胞c 、d 。其图分别如图2 1 1 所示。图中各向纱线取其轴线进行描述。 每个子单胞内含有四种取向的编织纱线，而五向纱与编织成型方向平行，六向纱与编 织方向垂直，水平均匀分布。每个单胞内含有四根四分之一五向纱( 依据面积分配) 和 两根六向纱。单胞的高度为一个花节长度h 。定义内部取向角y ，为内部的编织纱线 与织物成型方向的夹角；水平取向角口为编织纱线在横截面上的投影和预成型件厚度 方向的夹角【1 9 1 。 图2 1 1 预成型件的内部单胞模型 由图2 7 和图2 8 可知，在预成型件的诸横截面中，图2 7 a 所示的横截面中各 向纱线均达到挤紧状态，纱线间空隙最少，可作为计算制件几何尺寸的基准。该横截 面位予图2 - 1 1 所示单胞中的六向纱线加入处，理想化后可得到如图2 一1 2 所示的三维 六向预成型件单胞理想的横截面示意图，以及该平面上编织纱、五向纱和六向纱的理 想截面图。其中蓝、绿和灰分别代表编织纱、五向纱和六向纱。假设该截面上，编织 纱的截面为平行四边形，短边长为a ，长边长k o a ，为变异系数，锐角顶角为0 ；五向 纱的截面为等腰梯形，高为c ，两腰中点连线长为k ，c ；六向纱此时处于挤紧状态，其 横截面假设为等腰梯形，高为d ，两腰中点连线长为k 2 d ，其中k o 、k 和k 2 分别为编织 第二章三维六向编织预成型件的细观结构 纱线、五向纱线和六向纱线截面变异系数。 设编织纱、五向纱和六向纱的等效横截面面积分别为气、a 。、a ：，分别表示为： 一：i _ l j( 卢0 ，1 ，2 )( 2 4 ) p 其中，n 、l i 分别为各纱线的体积密度( g c m 3 ) 和线密度( g ，m ) 。 毯o ah 盗蹬o a 冱玉 编织纱五向纱 k 2 d z 三三, 兰- 玉l 六向纱 图2 一1 2 预成型件内部单胞的理想横截面及相应各向纱线截面 则，每个子内部单胞的外形尺寸为： w i = a + 丘c t i = c4 - d h h t g y 。丙忑 其中，册、a 分别为予单胞的宽度( m m ) 和厚度( m m ) ； 口、c 、d 以及口满足下面的方程： c - - - - a k os i n 0 。卯：生 c o s ， e k l c 2 = a i 占k 2 d 2 = a 2 a + c k t gp2 i 尹f 十“ 且对于预成型件有 0 “6 0 0 k l = 1 0 1 5k 2 = 2 5 3 5 妒“4 5 0 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) )