機(jī)織增強(qiáng)材料滲透率的分形研究.pdf

1、在機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的成型過(guò)程中，滲透率是描述充模過(guò)程中機(jī)織增強(qiáng)材料滲透性能的一個(gè)重要的參數(shù)，常用來(lái)表征樹(shù)脂流過(guò)機(jī)織增強(qiáng)材料的難易程度。同時(shí)，滲透率又是成型過(guò)程中模具設(shè)計(jì)和充模工藝參數(shù)制定的主要依據(jù)，也是復(fù)合成型計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬所需的關(guān)鍵參數(shù)。因此，深入研究機(jī)織增強(qiáng)材料的滲透率，將對(duì)機(jī)織復(fù)合材料的成型效率以及成品質(zhì)量的控制起到十分重要的作用。 作為生產(chǎn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體，采用機(jī)織工藝優(yōu)點(diǎn)很多：近年來(lái)設(shè)備的高速發(fā)展；織機(jī)對(duì)織造參數(shù)的精確

2、控制；對(duì)傳統(tǒng)二維織機(jī)進(jìn)行改造就可生產(chǎn)多軸織物、多層織物及三維織物等等。更重要的是機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料在經(jīng)緯方向上具有優(yōu)良的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。目前機(jī)織增強(qiáng)材料已經(jīng)由以往的單層織物，發(fā)展為2.5D和三維立體機(jī)織物，使厚度Z方向上的各項(xiàng)性能也得到增強(qiáng)。 在以往的機(jī)織增強(qiáng)材料滲透率的研究中，主要通過(guò)理想模型以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法來(lái)求解。然而機(jī)織增強(qiáng)材料中孔隙的大小和分布通常是隨機(jī)的和雜亂無(wú)章的，運(yùn)用理想模型來(lái)求解滲透率常常和實(shí)際情況會(huì)有很大

3、的差異；實(shí)驗(yàn)測(cè)量操作比較復(fù)雜，而且客觀因素影響較大。同時(shí)，用理論解析的方法尋找機(jī)織增強(qiáng)材料的數(shù)學(xué)模型又是“多孔介質(zhì)輸運(yùn)性質(zhì)”這一領(lǐng)域最具吸引力和挑戰(zhàn)性的課題。為此，本文展開(kāi)以下幾個(gè)方面的工作： 本課題主要研究機(jī)織增強(qiáng)材料的滲透性能，并將分形理論應(yīng)用到復(fù)合材料滲透率的求解過(guò)程中，分別建立了平紋、斜紋、2.5D機(jī)織增強(qiáng)材料的滲透率分形模型，然后根據(jù)修正后的平紋、斜紋、2.5D機(jī)織增強(qiáng)材料的單元結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行求解，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)求解結(jié)果

4、進(jìn)行了驗(yàn)證。 1．機(jī)織增強(qiáng)材料單元結(jié)構(gòu)理論模型的修正 機(jī)織增強(qiáng)材料在織造和復(fù)合成型過(guò)程中，由于外力的作用，其結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生很大的變化，以往的簡(jiǎn)化模型已不能表征其真實(shí)結(jié)構(gòu)。本文利用圖像采集的方法分析了機(jī)織增強(qiáng)材料的孔隙結(jié)構(gòu)特征，并通過(guò)對(duì)機(jī)織增強(qiáng)材料截面結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)觀察和對(duì)其織造與成型過(guò)程的分析，修正了機(jī)織增強(qiáng)材料單元結(jié)構(gòu)的理想模型，建立了一個(gè)與機(jī)織復(fù)合材料充模過(guò)程相符的單元結(jié)構(gòu)理論模型。在修正的模型當(dāng)中，機(jī)織增強(qiáng)材料經(jīng)緯截面中沒(méi)

5、有了以往模型中規(guī)則的大孔，同時(shí)纖維的分布具有一定的隨機(jī)性，而且形成的孔隙通道大小和形狀是不斷發(fā)生變化的。 2．機(jī)織增強(qiáng)材料分形特征驗(yàn)證 修正后的模型中沒(méi)有了可以簡(jiǎn)單計(jì)算的孔洞，孔隙的分布和大小是雜亂無(wú)章的，用傳統(tǒng)的分析方法已經(jīng)不能對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的表述，因此我們引入了一種新興的科學(xué)研究方法—分形幾何。首先闡述了分形理論的基本原理，進(jìn)而推導(dǎo)了物體分形特征的判斷依據(jù)，然后對(duì)機(jī)織增強(qiáng)材料的截面圖像進(jìn)行采集和處理，最后利用VC++6

6、.0語(yǔ)言根據(jù)計(jì)盒法原理編寫程序，驗(yàn)證機(jī)織增強(qiáng)材料的孔隙結(jié)構(gòu)符合分形特征。這也證明了機(jī)織增強(qiáng)材料的孔隙結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用分形理論進(jìn)行研究。利用分形幾何理論研究纖維增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)，為研究增強(qiáng)材料的滲透性能提供了一種比較好的研究思路和方法，使定量描述纖維增強(qiáng)材料的微觀、宏觀復(fù)雜性成為可能，為精確刻畫(huà)增強(qiáng)材料的機(jī)械物理特性，揭示和模擬纖維增強(qiáng)材料的充模規(guī)律提供了可靠的參數(shù)和理論支持。 3．機(jī)織增強(qiáng)材料分形維數(shù)的求解 分形維數(shù)度量了分形體

7、填充空間的能力，它從測(cè)度論和對(duì)稱理論方面刻畫(huà)了分形體的無(wú)序性，是描述分形對(duì)象的最基本特征參數(shù)。由于機(jī)織增強(qiáng)材料的單元結(jié)構(gòu)中不同位置的孔隙結(jié)構(gòu)有所不同，截面的孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)因位置的不同而不同，因此，本文分別求出不同代表平面的孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)，使得對(duì)機(jī)織增強(qiáng)材料分形特征的表征更為準(zhǔn)確。本文根據(jù)修正后的平紋、斜紋、2.5D機(jī)織增強(qiáng)材料的模型推導(dǎo)出三種機(jī)織增強(qiáng)材料的分形維數(shù)求解通式，然后通過(guò)其結(jié)構(gòu)參數(shù)求出其孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)和彎曲分形維數(shù)。

8、 4．機(jī)織增強(qiáng)材料滲透率分形模型建立 根據(jù)毛細(xì)管的分形特征，并應(yīng)用Hagen—Poiseulle方程和達(dá)西定理建立了滲透率的分形分析模型，得到滲透率的分形表達(dá)式，表達(dá)式中滲透率參數(shù)是多孔介質(zhì)的分形維數(shù)和織物微結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，沒(méi)有了以往的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。然后利用該模型分別求出平紋、斜紋以及2.5D機(jī)織增強(qiáng)材兩個(gè)代表平面滲透率的理論值，得到三種機(jī)織增強(qiáng)材料的滲透率預(yù)測(cè)范圍。 5．理論模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 滲透率的測(cè)量驗(yàn)證主要

9、采用RTM充模原理，其主要采用注射設(shè)備將專用樹(shù)脂體系注入閉合模腔，模腔中已鋪放好按一定方向和尺寸裁剪好的機(jī)織增強(qiáng)材料預(yù)成型體，模具周邊密封和緊固。根據(jù)達(dá)西定律，記錄壓力、樹(shù)脂粘度、以及樹(shù)脂流動(dòng)前沿，從而測(cè)出機(jī)織增強(qiáng)材料的滲透率測(cè)量值，并與分形模型計(jì)算出的機(jī)織增強(qiáng)材料滲透率進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者吻合很好。表明本文所建立的理論模型能夠反映機(jī)織增強(qiáng)材料真實(shí)的滲透性能。最后分析了滲透率預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值之間差異的原因。 綜上所述，本文根