經(jīng)編針織物增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、經(jīng)編針織物具有多種結(jié)構(gòu)的變化，所以它在復(fù)合材料的性能設(shè)計(jì)上具有較大的優(yōu)越性。用于增強(qiáng)復(fù)合材料的經(jīng)編針織結(jié)構(gòu)以雙軸向、多軸向織物最為常見，有關(guān)高模量紗線編織成圈的經(jīng)編針織物增強(qiáng)復(fù)合材料研究和報(bào)道較少。由于經(jīng)編針織物中的線圈彎曲程度較大，使增強(qiáng)纖維的剛度和強(qiáng)度利用率受到限制;此外，較低的纖維體積含量，高模量紗線在織造過(guò)程中容易受到損傷，從而降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。但是，相對(duì)于編織物和機(jī)織物等一些其他類型的增強(qiáng)復(fù)合材料，經(jīng)編針織復(fù)合材料的優(yōu)

2、勢(shì)也非常明顯，如生產(chǎn)率高，成本低，耐沖擊，適應(yīng)復(fù)雜形狀的能力等。因此，有必要對(duì)玻璃纖維等高模量紗線經(jīng)編針織物的編織工藝進(jìn)行研究，減輕織造過(guò)程中纖維的損傷。更為重要的是從試驗(yàn)和理論兩方面對(duì)經(jīng)編針織物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能進(jìn)行深入研究，分析其剛度與強(qiáng)度的影響因素，建立理論預(yù)測(cè)模型，為其廣泛應(yīng)用提供理論支持。
　　 本文的研究工作主要包括以下幾個(gè)方面:
　　 在第一章中，對(duì)針織復(fù)合材料的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、編織工藝及力學(xué)性能的研究進(jìn)

3、展進(jìn)行了較為詳細(xì)的回顧和綜述，對(duì)目前研究中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并闡述了本課題研究的目的、內(nèi)容和意義。
　　 在第三章，介紹了不飽和聚酯樹脂的性能特點(diǎn)，分析了經(jīng)編針織復(fù)合材料的復(fù)合成型工藝。采用手糊成型工藝制備了經(jīng)編針織物/不飽和聚脂樹脂復(fù)合材料板材，以及樹脂澆鑄體和單向復(fù)合材料試樣，并測(cè)試了材料的基本參數(shù)。測(cè)試結(jié)果顯示，復(fù)合材料試樣的纖維體積含量相對(duì)較低。
　　 第四章，在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試了各種經(jīng)編針織復(fù)合材料試樣

4、、樹脂澆鑄體和單向復(fù)合材料的拉伸性能，并對(duì)經(jīng)編針織復(fù)合材料的縱向、橫向與斜向應(yīng)力應(yīng)變曲線、彈性模量、斷裂強(qiáng)度和應(yīng)變的影響因素進(jìn)行了分析。拉伸性能試驗(yàn)研究顯示，不飽和聚酯樹脂澆鑄體的拉伸強(qiáng)度低、模量低，應(yīng)變大，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性，且不存在屈服點(diǎn)。單向復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度高、模量高，應(yīng)變小，拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈線性關(guān)系。所有經(jīng)編針織復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線均為非線性，拉伸性能各向異性明顯。它們的剛度和強(qiáng)度與試樣寬度內(nèi)的承載紗線數(shù)、纖維體積

5、含量有關(guān)。單梳經(jīng)平和變化經(jīng)平織物增強(qiáng)復(fù)合材料存在一個(gè)普遍性的規(guī)律就是，沿0°方向(橫列方向)的拉伸斷裂強(qiáng)度和模量最高，45°方向次之，沿90°方向(縱行方向)最低;拉伸應(yīng)變45°方向最小。雙梳、三梳和雙面經(jīng)編織物復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)研究顯示，織物織造過(guò)程中紗線的損傷會(huì)降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。由于紗線斷裂的不同時(shí)性，某些經(jīng)編針織物復(fù)合材料縱向拉伸曲線具有明顯的屈服階段。在單梳經(jīng)編組織的基礎(chǔ)上增加一把編鏈?zhǔn)釞焙?，能夠提高了?fù)合材料的縱向拉伸性

6、能;采用局部襯緯梳櫛，襯緯紗跨越的針距數(shù)越多，橫向拉伸強(qiáng)度和模量越高。上述研究表明，通
　　 第二章，通過(guò)試驗(yàn)分析了玻璃纖維紗線經(jīng)編成圈的編織性能，探討了整經(jīng)工序應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題，在拉舍爾舌針經(jīng)編機(jī)上分別使用1～3把梳櫛，編織了40種單面和雙面經(jīng)編針織物增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，研究了玻璃纖維經(jīng)編針織物的編織工藝。一些組織結(jié)構(gòu)的經(jīng)編針織物在復(fù)合材料中首次涉及。
　　 在單紗強(qiáng)力機(jī)上測(cè)試了玻璃纖維紗線的拉伸強(qiáng)度和繞過(guò)織針針頭的鉤接強(qiáng)度，并

7、與滌綸長(zhǎng)絲和滌/棉紗線進(jìn)行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維紗線的鉤接強(qiáng)度與針頭直徑有關(guān)，針頭直徑越小，強(qiáng)度越低，而且紗線的斷裂點(diǎn)全部發(fā)生在針鉤處。導(dǎo)紗針孔折彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示，玻纖紗線穿過(guò)導(dǎo)紗針孔后傾斜角度越大，紗線強(qiáng)度越低。說(shuō)明玻璃纖維雖然拉伸強(qiáng)度較高，但由于其脆性大，在彎曲和扭折時(shí)易發(fā)生斷裂。在Z321整經(jīng)機(jī)上將玻璃纖維紗線卷繞成盤頭，整經(jīng)過(guò)程中經(jīng)紗斷頭多發(fā)生在集絲板和分紗筘處，經(jīng)紗斷頭后應(yīng)采用大接頭的打結(jié)方式接頭，要調(diào)整好經(jīng)紗張力、整經(jīng)

8、速度等參數(shù)。在機(jī)號(hào)為E12的RMDU6拉舍爾舌針經(jīng)編機(jī)上設(shè)計(jì)并編織了單梳、雙梳和三梳織物，研究發(fā)現(xiàn)，影響玻璃纖維紗線經(jīng)編編織性能的主要因素是織針尺寸和紗線在導(dǎo)紗針針孔處的彎曲曲率及包圍角，彎曲曲率和包圍角越大，紗線越容易斷裂。在保證成圈順利的前提下，應(yīng)盡可能減小經(jīng)紗送經(jīng)張力。編織高密度織物時(shí)，紗線易受損傷，織物表面起毛現(xiàn)象嚴(yán)重，要調(diào)節(jié)好上機(jī)密度。在編織雙梳織物時(shí)，斷紗最容易發(fā)生在套圈階段，最好采用針頭寬度小的舌針。要編織結(jié)構(gòu)緊密的雙針床

9、經(jīng)編織物較為困難，編織過(guò)程中要防止前梳紗在前針床織針上漏針。過(guò)改變經(jīng)編針織物的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和纖維體積含量等因素時(shí)，使增強(qiáng)織物中纖維的取向發(fā)生變化，從而也使復(fù)合材料呈現(xiàn)出不同的強(qiáng)度、模量和各向異性特征等力學(xué)性能。因而，經(jīng)編針織復(fù)合材料的力學(xué)性能具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。
　　 在第五章中，測(cè)試并分析了32種經(jīng)編針織復(fù)合材料橫向、縱向和斜向的彎曲強(qiáng)度和模量，結(jié)果表明:大多數(shù)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量與拉伸試驗(yàn)的結(jié)果比較一致，它們同樣也與增強(qiáng)針

10、織物的組織結(jié)構(gòu)、紗線取向、承載紗線根數(shù)、纖維體積含量等因素有關(guān);經(jīng)編針織復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性能也具有正交各向異性特征，各向異性程度與拉伸結(jié)果相近或稍小;大部分復(fù)合材料的彎曲模量比拉伸模量小;織造過(guò)程中對(duì)纖維的損傷對(duì)彎曲性能影響不明顯，纖維與樹脂界面脫粘對(duì)彎曲性能影響較大;經(jīng)編雙面織物復(fù)合材料具有良好的彎曲力學(xué)性能。
　　 在第六章中，利用幾何方法，根據(jù)玻璃纖維經(jīng)平織物的線圈實(shí)際形態(tài)，對(duì)線圈結(jié)構(gòu)作了合理的假設(shè)，建立了經(jīng)平組織經(jīng)編針

11、織物的線圈幾何模型。經(jīng)與6種不同密度的實(shí)際經(jīng)平織物對(duì)比，幾何模型的線圈長(zhǎng)度與實(shí)測(cè)線圈長(zhǎng)度的差異均在3％以內(nèi)，說(shuō)明關(guān)于線圈模型的假設(shè)和建立方法是正確的。采用Pro/ENGINEER Wildfire4.0建立的經(jīng)平織物線圈三維幾何模型與線圈實(shí)際形態(tài)較為符合。
　　 第七章，利用Pro/ENGINEER Wildfire4.0和Algor有限元分析軟件，構(gòu)建了經(jīng)平織物復(fù)合材料的有限元分析模型，該模型是由經(jīng)平織物的一個(gè)完全組織及其樹脂

12、組成的復(fù)合材料代表性體元。有限元法的計(jì)算步驟歸納為:建立分析模型與網(wǎng)格劃分，單元分析，整體分析。在劃分網(wǎng)格過(guò)程中，將模型離散為六面體與四面體形狀的單元，選擇分析類型為“非線性MES”，單元類型為塊體。將增強(qiáng)織物的線圈視為正交各向異性的單向復(fù)合材料，樹脂部分的單元材料模型選擇了“使用等向強(qiáng)化模型的Von Mises曲線”。通過(guò)有限元分析與計(jì)算，得到了經(jīng)平織物復(fù)合材料沿織物縱行和橫列方向的拉伸應(yīng)力應(yīng)變分布，應(yīng)力應(yīng)變曲線和彈性模量。應(yīng)力和應(yīng)變