三維正交機(jī)織物成形過程建模及其增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮性能研究.pdf

1、碳纖維復(fù)合材料憑借其較高的比強(qiáng)度、比模量以及其他優(yōu)異性能在機(jī)械工程領(lǐng)域的高端裝備應(yīng)用中正逐步取代傳統(tǒng)的金屬材料而得到快速發(fā)展。其中，三維正交機(jī)織物作為復(fù)合材料的重要組成部分，其正交機(jī)織結(jié)構(gòu)能夠顯著提高材料的軸向壓縮性能和沖后壓縮性能。然而，其幾何結(jié)構(gòu)受織造工藝過程（捆綁紗張力）影響，導(dǎo)致變化的紗線軌跡路徑和不規(guī)則的紗線橫截面。這些幾何微結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)一步導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能的差異。因此，研究織造工藝過程對三維正交機(jī)織復(fù)合材料的生產(chǎn)和應(yīng)用具

2、有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文以三維正交機(jī)織物成形過程及其增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮性能為對象開展研究。詳細(xì)分析了三維正交機(jī)織物的織造工藝過程，設(shè)計(jì)并研制了三維正交機(jī)織物的織造樣機(jī)，建立了三維正交機(jī)織物的細(xì)觀尺度幾何結(jié)構(gòu);在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了三維正交機(jī)織復(fù)合材料的有限元模型;設(shè)計(jì)并搭建了三維正交機(jī)織復(fù)合材料軸向壓縮試驗(yàn)平臺和沖后壓縮試驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了有限元模型的有效性;結(jié)合試驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)一步研究并揭示了織造工藝過程（捆綁紗張力）

3、對三維正交機(jī)織復(fù)合材料軸向壓縮性能和沖后壓縮性能的影響機(jī)理。
　　論文主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下:
　　(1)以三維正交機(jī)織物為對象，研究了其織造工藝原理和特征，基于傳統(tǒng)劍桿織機(jī)，結(jié)合三維正交機(jī)織物的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)并研制了三維正交機(jī)織織造樣機(jī)，通過調(diào)整織造工藝參數(shù)（捆綁紗張力），獲得了三種張力配置(N25，N50，N100)的三維正交機(jī)織物，分析了捆綁紗張力對織物幾何結(jié)構(gòu)的影響。分析結(jié)果表明:捆綁紗張力對三維正交機(jī)織物的幾何

4、微結(jié)構(gòu)具有顯著影響。捆綁紗張力增大，外層緯紗軌跡在交織位置的卷曲增大，捆綁紗軌跡卷曲減小，緯紗和捆綁紗卷曲程度呈現(xiàn)此起彼伏的交互性。另一方面，隨著捆綁紗張力的增大，經(jīng)紗橫截面從矩形轉(zhuǎn)變?yōu)橥圭R形。
　　(2)基于纖維連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和動力學(xué)方法對三維正交機(jī)織物成形過程進(jìn)行了細(xì)觀尺度的數(shù)值仿真模擬，并對紗線相互交織過程進(jìn)行了分析研究，重點(diǎn)分析了織造成形過程中的捆綁紗張力對三維正交機(jī)織物幾何微結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理，分析結(jié)果表明捆綁紗張力所產(chǎn)生的橫

5、向作用力是緯紗交織位置發(fā)生卷曲的根本原因，并且隨著捆綁紗張力的增大，緯紗卷曲程度增大。位于中間層的經(jīng)紗雖然沒有直接受到捆綁紗的橫向作用力，但是較大的緯紗卷曲程度會導(dǎo)致經(jīng)紗邊緣纖維發(fā)生波動，表現(xiàn)為經(jīng)紗的整體扭轉(zhuǎn)，并且扭轉(zhuǎn)角度隨著捆綁紗張力的增大而增大。
　　(3)在三維正交機(jī)織物細(xì)觀尺度幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了體素網(wǎng)格生成方法和網(wǎng)格單元識別方法，利用纖維的軌跡點(diǎn)坐標(biāo)為每一個紗線單元賦予局部材料坐標(biāo)，以復(fù)合材料代表單元(RVE)

6、為對象在經(jīng)緯紗方向上施加了周期性邊界條件，根據(jù)纖維增強(qiáng)體的多相材料本構(gòu)方程和失效判據(jù)，建立了三維正交機(jī)織復(fù)合材料的有限元模型，用于進(jìn)一步的力學(xué)性能數(shù)值仿真研究。
　　(4)考慮了復(fù)合材料軸向壓縮試驗(yàn)和沖后壓縮試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)本文所研究的三維正交機(jī)織增強(qiáng)體的幾何結(jié)構(gòu)特征，對復(fù)合材料試樣的尺寸規(guī)格進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，設(shè)計(jì)了三維正交機(jī)織復(fù)合材料軸向壓縮性能試驗(yàn)方法和沖后壓縮性能試驗(yàn)方法，并搭建了相應(yīng)的試驗(yàn)平臺。
　　(5)進(jìn)行了三維正交