三維負(fù)泊松比織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造和變形機(jī)理研究.pdf

1、天然材料通常表現(xiàn)為正泊松比，即拉伸時材料變窄，壓縮時變寬。近幾十年來發(fā)現(xiàn)了一些具有負(fù)泊松比性能的材料，并于1991年被Evans等人命名為拉脹材料(Auxeticmaterial)，其泊松比的絕對值越大，負(fù)泊松比效應(yīng)越明顯。研究發(fā)現(xiàn)，拉脹材料除具有負(fù)泊松比外，與傳統(tǒng)材料相比，還具有其他獨特性能，如剪切剛度、斷裂韌性、抗壓痕性、能量吸收能力（超聲波、聲、阻尼）等都有所提高。以上優(yōu)良的力學(xué)性能使得拉脹材料可望應(yīng)用于航空航天、環(huán)保、生物醫(yī)學(xué)及

2、其他國防領(lǐng)域，從而使拉脹材料的開發(fā)和研究具有重要意義。
　　本課題旨在設(shè)計開發(fā)一種具有負(fù)泊松比效應(yīng)的三維織物結(jié)構(gòu)，研究其產(chǎn)生負(fù)泊松比的壓縮變形機(jī)理并討論其結(jié)構(gòu)參數(shù)對負(fù)泊松比的影響。該結(jié)構(gòu)包括經(jīng)紗、緯紗及捆綁紗，其結(jié)構(gòu)特點是經(jīng)緯紗多層排列，不進(jìn)行交織，層間垂直交叉排列，層內(nèi)紗線一隔一或完全平行排列，同時由織針在垂直于經(jīng)緯紗交叉排列平面的方向編織經(jīng)編編鏈結(jié)構(gòu)形成捆綁紗。標(biāo)記經(jīng)緯紗其中一組紗線一隔一排列的結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)A，經(jīng)緯紗同時一隔一排

3、列的結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)B。定義該織物的結(jié)構(gòu)松弛率為理想狀態(tài)下即經(jīng)緯紗都完全平直情況下織物的厚度與下機(jī)后織物的厚度差占理想狀態(tài)下織物厚度的比例，則影響織物的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)有:經(jīng)緯紗半徑、不同層相鄰經(jīng)紗間的水平距離、不同層相鄰緯紗間的水平距離、經(jīng)緯紗彈性模量、結(jié)構(gòu)松弛率。
　　本課題研究工作主要分為四部分:(1)設(shè)計一種具有負(fù)泊松比效應(yīng)的三維織物結(jié)構(gòu)，建立該結(jié)構(gòu)的二維幾何模型，考察該結(jié)構(gòu)中各參數(shù)對其泊松比性能的影響。制造三維織機(jī)實現(xiàn)以上結(jié)構(gòu)的織

4、造。(2)通過手工和機(jī)械的方法編織出14種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的試樣，并對以上試樣進(jìn)行壓縮實驗測試，研究織物產(chǎn)生負(fù)泊松比的變形機(jī)理以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對負(fù)泊松比的影響。(3)根據(jù)經(jīng)典彈性理論和接觸理論建立該結(jié)構(gòu)的二維力學(xué)模型，比較該模型所得結(jié)果與二維幾何模型及壓縮實驗結(jié)果的差別。(4)利用有限元分析方法建立該結(jié)構(gòu)的有限元模型，討論其結(jié)果與二維力學(xué)模型及壓縮實驗結(jié)果的差別。
　　研究主要結(jié)論:
　　(1)三維織物結(jié)構(gòu)在二維幾何原理上能夠展現(xiàn)負(fù)

5、泊松比效應(yīng)。二維幾何模型表明，該結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比隨著壓縮應(yīng)變的增加而增加。該結(jié)構(gòu)經(jīng)紗半徑增加，不同層相鄰經(jīng)紗間的水平距離減小，同時避免緯紗半徑及其結(jié)構(gòu)松弛率過大就可得到負(fù)泊松比更明顯的織物。
　　(2)該類結(jié)構(gòu)在一向具有負(fù)泊松比。結(jié)構(gòu)在壓縮過程中產(chǎn)生負(fù)泊松比性能的原因是彎曲剛度大的一組紗線一隔一排列。手工編織試樣與三維織機(jī)織造試樣壓縮試驗對比發(fā)現(xiàn)，兩種編織方法得到的試樣都能使三維織物結(jié)構(gòu)的展現(xiàn)負(fù)泊松比性能。但由于編織方法的不同，相同

6、編織參數(shù)織物的結(jié)構(gòu)松弛率有所不同，其泊松比性能也有些微差異。經(jīng)紗半徑和不同層相鄰經(jīng)紗間的水平距離對織物泊松比的影響與二維幾何模型具有相同變化趨勢:隨著以上參數(shù)的增加織物負(fù)泊松比性能增加。但緯紗半徑對泊松比影響的變化趨勢則剛好相反。
　　(3)三維織物結(jié)構(gòu)的二維力學(xué)模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果顯示相同的變化趨勢，隨著壓縮應(yīng)變的增加，結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比效應(yīng)愈加明顯。但其二維力學(xué)模型所得負(fù)泊松比略大于、受力明顯大于實驗結(jié)果。二維力學(xué)模型研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)

7、紗半徑的增加、緯紗半徑的減小，不同層相鄰經(jīng)紗間的水平距離的減小，經(jīng)紗彈性模量的增加，緯紗彈性模量的減小都使該結(jié)構(gòu)負(fù)泊松比效應(yīng)增加。結(jié)構(gòu)松弛率的增加雖能增加結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比性能，卻使結(jié)構(gòu)的最大壓縮應(yīng)變降低。
　　(4)有限元分析表明，以該結(jié)構(gòu)的最小單元作為有限元模型足以模擬該結(jié)構(gòu)的泊松比、受力狀況與壓縮應(yīng)變的關(guān)系。結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B在結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時，具有幾乎相同的泊松比—壓縮應(yīng)變曲線及受力—壓縮應(yīng)變曲線。有限元模型中結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)泊松