機織增強材料滲透率的分形研究.pdf

1、在機織增強復合材料的成型過程中，滲透率是描述充模過程中機織增強材料滲透性能的一個重要的參數，常用來表征樹脂流過機織增強材料的難易程度。同時，滲透率又是成型過程中模具設計和充模工藝參數制定的主要依據，也是復合成型計算機數值模擬所需的關鍵參數。因此，深入研究機織增強材料的滲透率，將對機織復合材料的成型效率以及成品質量的控制起到十分重要的作用。 作為生產復合材料的增強體，采用機織工藝優(yōu)點很多：近年來設備的高速發(fā)展；織機對織造參數的精確

2、控制；對傳統(tǒng)二維織機進行改造就可生產多軸織物、多層織物及三維織物等等。更重要的是機織增強復合材料在經緯方向上具有優(yōu)良的力學性能和尺寸穩(wěn)定性。目前機織增強材料已經由以往的單層織物，發(fā)展為2.5D和三維立體機織物，使厚度Z方向上的各項性能也得到增強。 在以往的機織增強材料滲透率的研究中，主要通過理想模型以及實驗測量的方法來求解。然而機織增強材料中孔隙的大小和分布通常是隨機的和雜亂無章的，運用理想模型來求解滲透率常常和實際情況會有很大

3、的差異；實驗測量操作比較復雜，而且客觀因素影響較大。同時，用理論解析的方法尋找機織增強材料的數學模型又是“多孔介質輸運性質”這一領域最具吸引力和挑戰(zhàn)性的課題。為此，本文展開以下幾個方面的工作： 本課題主要研究機織增強材料的滲透性能，并將分形理論應用到復合材料滲透率的求解過程中，分別建立了平紋、斜紋、2.5D機織增強材料的滲透率分形模型，然后根據修正后的平紋、斜紋、2.5D機織增強材料的單元結構模型進行求解，最后通過實驗對求解結果

4、進行了驗證。 1．機織增強材料單元結構理論模型的修正 機織增強材料在織造和復合成型過程中，由于外力的作用，其結構會發(fā)生很大的變化，以往的簡化模型已不能表征其真實結構。本文利用圖像采集的方法分析了機織增強材料的孔隙結構特征，并通過對機織增強材料截面結構的實驗觀察和對其織造與成型過程的分析，修正了機織增強材料單元結構的理想模型，建立了一個與機織復合材料充模過程相符的單元結構理論模型。在修正的模型當中，機織增強材料經緯截面中沒

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

6、.0語言根據計盒法原理編寫程序，驗證機織增強材料的孔隙結構符合分形特征。這也證明了機織增強材料的孔隙結構可以應用分形理論進行研究。利用分形幾何理論研究纖維增強材料結構，為研究增強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材料的微觀、宏觀復雜性成為可能，為精確刻畫增強材料的機械物理特性，揭示和模擬纖維增強材料的充模規(guī)律提供了可靠的參數和理論支持。 3．機織增強材料分形維數的求解 分形維數度量了分形體

7、填充空間的能力，它從測度論和對稱理論方面刻畫了分形體的無序性，是描述分形對象的最基本特征參數。由于機織增強材料的單元結構中不同位置的孔隙結構有所不同，截面的孔隙結構分形維數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構分形維數，使得對機織增強材料分形特征的表征更為準確。本文根據修正后的平紋、斜紋、2.5D機織增強材料的模型推導出三種機織增強材料的分形維數求解通式，然后通過其結構參數求出其孔隙結構分形維數和彎曲分形維數。

8、 4．機織增強材料滲透率分形模型建立 根據毛細管的分形特征，并應用Hagen—Poiseulle方程和達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式，表達式中滲透率參數是多孔介質的分形維數和織物微結構參數的函數，沒有了以往的經驗常數。然后利用該模型分別求出平紋、斜紋以及2.5D機織增強材兩個代表平面滲透率的理論值，得到三種機織增強材料的滲透率預測范圍。 5．理論模型的實驗驗證 滲透率的測量驗證主要

9、采用RTM充模原理，其主要采用注射設備將專用樹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織增強材料預成型體，模具周邊密封和緊固。根據達西定律，記錄壓力、樹脂粘度、以及樹脂流動前沿，從而測出機織增強材料的滲透率測量值，并與分形模型計算出的機織增強材料滲透率進行比較，結果發(fā)現兩者吻合很好。表明本文所建立的理論模型能夠反映機織增強材料真實的滲透性能。最后分析了滲透率預測值與實驗測量值之間差異的原因。 綜上所述，本文根