三維正交機織物成形過程建模及其增強復合材料壓縮性能研究.pdf

1、碳纖維復合材料憑借其較高的比強度、比模量以及其他優(yōu)異性能在機械工程領域的高端裝備應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，三維正交機織物作為復合材料的重要組成部分，其正交機織結(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)的變化進一步導致復合材料力學性能的差異。因此，研究織造工藝過程對三維正交機織復合材料的生產(chǎn)和應用具

2、有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。
　　本文以三維正交機織物成形過程及其增強復合材料壓縮性能為對象開展研究。詳細分析了三維正交機織物的織造工藝過程，設計并研制了三維正交機織物的織造樣機，建立了三維正交機織物的細觀尺度幾何結(jié)構(gòu);在此基礎上，進一步建立了三維正交機織復合材料的有限元模型;設計并搭建了三維正交機織復合材料軸向壓縮試驗平臺和沖后壓縮試驗平臺，驗證了有限元模型的有效性;結(jié)合試驗和仿真結(jié)果進一步研究并揭示了織造工藝過程（捆綁紗張力）

3、對三維正交機織復合材料軸向壓縮性能和沖后壓縮性能的影響機理。
　　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，結(jié)合三維正交機織物的結(jié)構(gòu)特征，設計并研制了三維正交機織織造樣機，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)力學和動力學方法對三維正交機織物成形過程進行了細觀尺度的數(shù)值仿真模擬，并對紗線相互交織過程進行了分析研究，重點分析了織造成形過程中的捆綁紗張力對三維正交機織物幾何微結(jié)構(gòu)的影響機理，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)在三維正交機織物細觀尺度幾何結(jié)構(gòu)的基礎上，進一步開發(fā)了體素網(wǎng)格生成方法和網(wǎng)格單元識別方法，利用纖維的軌跡點坐標為每一個紗線單元賦予局部材料坐標，以復合材料代表單元(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)，建立了三維正交機織復合材料的有限元模型，用于進一步的力學性能數(shù)值仿真研究。
　　(4)考慮了復合材料軸向壓縮試驗和沖后壓縮試驗標準，根據(jù)本文所研究的三維正交機織增強體的幾何結(jié)構(gòu)特征，對復合材料試樣的尺寸規(guī)格進行了優(yōu)化調(diào)整，設計了三維正交機織復合材料軸向壓縮性能試驗方法和沖后壓縮性能試驗方法，并搭建了相應的試驗平臺。
　　(5)進行了三維正交