三维编织复合材料力学性能研究进展
三维编织复合材料力学性能研究进展
国内外在近 30 年内对三维编织复合材料的细观结构与 观力学性能之间的关系进行了研究和探索 取得了一些突出 的成就 并逐渐发展成力学和材料领域的一个热门研究方 向。在试验方面，自 20 世纪 80 年代起，MACANDER 等[3] 就对三维编织复合材料的拉压剪弯等典型静态力学性能进 行了系统的试验研究；KALIDINDI 等[4]研究了纤维体积含量 和编织角对材料力学性能的影响；SHIVAKUMAR 等[5]进一 步揭示了三维编织复合材料的压缩强度和失效机制。关于三 维编织复合材料冲击力学行为和断裂形态随应变率的变化 趋势也有相关报道[6-7]。
科技与创新┃Science and Technology & Innovation
文章编号：2095－6835（2021）13－0108－06
2021 年 第 13 期
三维编织复合材料力学性能研究进展
吴亚波，江小州，刘 帅，袁 航，张尧毅，惠永博，侯荣彬
（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610056）
国内也不乏试验研究三维编织复合材料力学性能的相 关报道。张迪等[29]对比研究三维多向编织和层合板复合材料 的力学性能。四种三维多向编织结构分别利用三维四向、三 维五向、三维六向和三维七向编织工艺制备；三种层合复合 材料利用帘子布制成，分别为 0°单向板、90°单向板和层合 板［0 /（ ± 45）2 /90］2s。同时进行拉伸、压缩和剪切试 验。结果表明与三维编织试样相比，0°单向板的拉伸和压缩 性能最高，而其他层合试样的各项性能均较低；对于编织试 样，编织角越小，纵向拉伸和压缩性能越高，剪切性能越低； 发现编织结构和编织角是影响材料破坏模式的重要因素。李 翠敏等[30]研究了三维编织碳纤维复合材料的剪切性能，结果 表明，三维五向较三维四向编织复合材料剪切性能好；三维 编织复合材料剪切强度沿长度方向随着编织角的减小而增 加；切边三维编织复合材料试件受剪切破坏时在加载点附近 侧表面裂缝沿纱线走向分布，上下两表面发生弯曲破坏。李 苏红等[31]试验分析评价了编织结构参数对复合材料拉伸性 能的影响，且对复合材料的破坏模式进行了研究。实验结果 表明，编织角、复合材料尺寸、纤维体积含量、轴向纱数与 编织纱数之比等对复合材料的性能有较大的影响，复合材料 有两种破坏模式，一种是裂纹沿纤维束扩展，另一种是纤维 束拉断，后者为主要破坏模式。 2 三维编织复合材料力学性能的理论研究 2.1 几何模型和力学模型
三维四向编织复合材料压缩力学性能实验研究
严
实， 吴林 志 ， 雨果 孙
（ 尔滨 工 业 大学 复 合材 料 与结 构 研 究所 ， 尔滨 １ ０ ０ ） 哈 哈 ５ ０ １
Ｙ Ａ Ｎ ｉ Ｓｈ ，Ｗ Ｕ ｎ ｚ ， Ｓ Ｎ ｕ ｇ Ｌｉ — ｈｉ Ｕ Ｙ — ｕｏ
（ ｎ ｅ ｏ ｍ ｐ ｉｅ Ｍ ａ ｅ ｉ ｌ Ｃｅ ｔ ｒ ｆ ｒ Ｃｏ ｏｓｔ ｔ ｒａ ｓ，Ｈ ａ ｂｉ ｎ ｔｔ ｅ ｏ ｃ ｒ ｎ Ｉ ｓ ｉｕｔ ｆＴｅ ｈｎｏ ｏ ｌ ｇｙ，Ｈ ａ ｂ ｎ １ ０ １，Ｃｈ ｎａ ｒ ｉ ５ ００ ｉ ）
摘 要 ：通 过 对 三 维 四 向编 织 复合 材料 薄 板 试 件 的宏 观 压 缩 实 验 ， 究 了三 维 四 向 编 织 复 合 材 料 的抗 压 力 学 性 能 。 实 验 研 结 果 表 明 ： 料 的编 织 角 对 其 压 缩 力 学 性 能 的 影 响 很 大 ， 编 织 角 的 变 化 ， 织 复 合 材 料 的 压 缩 破 坏 机 制 发 生 了 变 化 。 材 随 编
ｃ ｓ ｎ ｎｌｎｅ ｒ。ｂｅ ｖ ｎｇ ｍ ｏｓ ｌ ｈｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓ ｏ ａ ｔｃ ｆ ｉｕｒ ． ｈｅ ｏ ｉ ａ ｈａ ｉ ｔｙ ａｓｔ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔｃ ｆｐｌ ｓ ｉ ａ ｌ ｅ Ｋｅ ｒ ： ａ ｄ ｄ ｃ ｍ ｐ ｉｅ；ｃ ｍ ｐｒ ｓ ｉ ｅ ｅ ｅ ｉ ｅ ；ｂｒ ｉ ｅ ｇｌ ｙ ｗｏ ｄｓ ｂｒ ｉ ｅ ｏ ｏｓｔ ｏ ｅ ｓｖ ｘｐ ｒｍ ｎｔ ａ ｄ ｄ ａｎ ｅ；ｆ ｌ ｒ ｅ ｈａ ｉ ｍ ａｉｕ ｅ ｍ ｃ ｎ ｓ
编织 角 度 较 小 时 ， 料 表 现 为 脆 性 特 征 ； 编 织 角 度 大 于 某 个 临 界 角 度 时 ， 料 的 应 力 一 变 曲 线 趋 于 非 线 性 ， 多 地 表 材 当 材 应 更 现为塑性破坏 。
三维编织复合材料的力学性能研究
三维编织复合材料的力学性能研究摘要：近年来，随着复合材料理论体系的完善以及设计与制造技术的不断进步，三维编织复合材料的运用越来越广泛，其力学性能的研究也更加具体和深入。
本文对三维编织复合材料的力学性能进行了探讨，从概念性的内容入手，对相关研究成果进行了归纳，同时结合三维五向编织复合材料的特点，对材料的细观结构进行了讨论，同时结合单胞模型，讨论了材料的力学性能，具有一定的现实参考价值。
关键词：复合材料材料；三维编织；力学；纱线；单胞三维编织复合材料在当前直升机结构设计中占有十分重要的地位，其能够运用特有的多向纤维束空间网状结构，为直升机的设计与制造提供良好的力学性能，并且损伤容限、断裂韧性较高，消除了过往复合材料中的“层”概念，因此本文对三维编织复合材料的力学性能进行了探讨，能够为直升机结构设计提供一定的理论基础和现实参考意义。
近年来，随着复合材料理论体系的不断完善和三维编织复合材料的广泛运用，越来越多的学者在研究中提出了具有较强实际意义的模型，例如学者Chou提出的纤维交织模型、纤维倾斜模型[1]，学者Whyte提出的织物几何模型[2]，Lei提出的有限单胞模型[3]等等。
也就是说，各类学者在对三维编织复合材料进行研究的过程中，根据其特性和力学性能提出了大量假设，并且在实验中得到了印证，但仍然缺少对三维编织复合材料几何特性与交织结构等方面的深入探讨与研究。
1三维编织复合材料1.1 相关概念当前，三维编织复合材料广泛运用于各类直升机结构设计中，为该行业的发展提供了良好的支撑。
三维编织复合材料大多数采用了液体成型的工艺，在制造时进行浸胶固化，能够直接按照相应的要求，在模具的帮助下，形成结构件。
一般采用的工艺为传递模塑工艺（RTM）、树脂膜渗透工艺（RFI）以及真空辅助树脂渗透工艺（VARI）等等。
在制造复杂直升机构件方面，洛克希德·马丁公司生产的三维编织复合材料在技术上较为先进，能够有效的根据直升机的整体结构进行加强筋与进气道壳体的设计，节省了空间，提升了直升机的整体性能，并且在装配工艺上较为简便。
编织结构复合材料力学性能的测试与分析
模型”利用修正 的层合理论 ， ， 假定 同一层胞体 中平 行于 同一对角线方向的纤维束集合形成一倾斜的单 向层 板 ， 而将 单元 胞 体 简 化 为 ４块 倾 斜 的 单 向层 进
固化 剂为 ７ 酸 酐 三 者 的用 量配 比 为 ：０ １０： ０ １０：０
“ 纤维互锁胞体模型”在平行六面体的单元胞体 内， ，
将 沿 四个 对角 线方 向排 列 的纤 维 束 当作 “ 合材 料 复
１ 。固化剂选 用 ７ 酸酐 ， 名为四氢化邻苯二 甲 ０＃ 学 酸酐 （ Ａ）其分 子量 为 １６， Ｐ ， ４ 固化 温 度 １０—１０ｃ ５ ８ ｏ，
固化 时 间约 ４～２ ｈ 采 用 的催 化 剂 为 苯胺 ； 实 验 ４； 本
杆” 来处理， 利用应变能原理得到简化的三维复合材
料 杆 系结 构力学 模 型 。Ｙ ｎ ・ 立 了“ 维倾 斜 ａｇ等 建 纤
的预型件采用四步法三维 四向 １ 编织结构 ， ×１ 采用 Ｒ Ｍ（ Ｔ 树脂传递模塑） 工艺成型。Ｒ Ｍ的工艺参数 Ｔ 为 ： 真空 达 到 ０ １ ａ树脂 注入 模具 的压力 为 ０ 抽 ．ＭＰ ； ． ４ ａ Ｍｐ ；固 化 周 期 ：１０ｃ ２— ｌ０ｃ ｌ一 １０ｃ ３ ｏ／ ｈ ５ ｏ／ ｈ ６ ｏ／
材料 力 学性能 受 多 种 因 素 的影 响 ， 方 面 的的 实验 这
研究仍然不是很充分 ， 还需进行 大量 的试验来 研究 它 们 的变形 和破 坏 规 律 ， 深 入 描述 编织 复 合 材料 为 的力学行为奠定实验数据基础 。本工作对 四步法三 维 编织 复合 材料 进 行 了拉 伸 、 缩 和 弯 曲等 实 验研 压 究 ， 得 了该 材 料 的主要力 学性 能 参数及 破坏 规律 ， 获 得到了一些重要结论 。这些结果为进一步研究复合
三维编织复合材料研究及应用现状
三维编织复合材料研究及应用现状作者：王海雷高艳秋范雨娇来源：《新材料产业》2017年第03期三维编织复合材料是利用编织技术，把经向、纬向及法向的纤维束（或纱线）编织成一个整体，即为预成型结构件（简称“预制体”），然后以预制体作为增强材料进行树脂浸渍固化而形成的复合材料结构。
由于增强纤维在三维空间多向分布，阻止或减缓了冲击载荷作用下复合材料层间裂纹的扩展，使得复合材料层间性能大大提升。
因此，三维编织复合材料较普通层合复合材料具有更高的冲击损伤容限和断裂韧性。
三维编织技术可按实际需要设计纤维数量，整体织造复杂形状的零部件和一次完成组合件，减少二次加工量，如加筋壳、开孔结构的制造等，因而经济性好、成本低、制造周期短。
此外，三维编织复合材料可适用于各种复杂几何形状的织造，稳定性和整体性高，可设计性强，可通过改变编织方式、编织角、纱线密度等参数满足某些特定的工程需求。
基于以上各种优势，三维编织复合材料得到了迅速的发展，并且受到工程界的普遍关注[1]。
一、细观模型的研究进展三维编织复合材料细观结构的研究始于20世纪80年代初，比如Ko和Pastore的单胞织物几何模型（FGM），Ma和Yang的“米”字型单胞模型以及Yang提出的“纤维倾斜模型”，这些都属于简单的等效理论的范畴。
20世纪90年代以后，数值仿真能力得到大大提高，人们开始对三维编织复合材料的成型、编织程序、纱线在编织过程中的走向等进行更深入、完善的研究。
Du和Ko在单胞理论的基础上研究了编织参数与三维编织复合材料的纤维编织角及纤维体积含量之间的关系。
Sun[2]将数字化方法成功地用于研究复杂微观结构的三维编织矩形预成型体，准确地分析了纱线相互作用和横截面的变形情况，并对比了拓扑模型和数字化方法预测材料微结构的差异，在此2种模型的基础上运用体积平均法计算了三维矩形编织复合材料的抗拉刚度，剪切刚度和泊松比等力学性能，用拓扑模型计算得来的抗拉刚度，剪切刚度值均低于数字化方法，泊松比的值则较为近似。
天津工业大学《CompositeStructures》：三维机织物多尺度数值模拟研究进展
天津工业大学《CompositeStructures》：三维机织物多尺度数值模拟研究进展导读三维机织复合材料由于具有抗冲击、抗分层、易于设计、加工方便等优点，在各个领域得到了广泛应用。
材料力学性能与织物的结构密切相关，数值模型可以用来研究两者之间的关系，而建立数值模型的关键是能够准确描述织物结构的几何形状。
然而，三维机织物的多尺度性质和复杂的内部组织结构增加了建模的难度。
为此，天津工业大学的Ziyue Gao（第一作者）和Li Chen（通讯作者）从多尺度的角度综述了三维机织物的数值分析方法，在《Composite Structures》上发表了题为“A review of multi-scale numerical modeling of three-dimensional woven fabric”的文章，该综述重点介绍了中尺度和微尺度建模方法的最新进展，讨论了纤维间接触-摩擦相互作用的检测和建模方法，为三维机织物的仿真研究提供了参考。
内容简介三维机织织物由交错的纱线组成，纱线中又包含成千上万的纤维。
因此，数值模型的建立必须从织物不同尺度上进行考虑：宏观尺度（机织物的单元尺度）、中观尺度（纱线尺度）和微观尺度（纤维尺度）。
在改进模型时应考虑三种刚度（拉伸、平面剪切和弯曲）的影响，特别是弯曲刚度和拉剪耦合的影响。
De Luycker等人[33]提出了一种由纱线组成的特殊六面体单元，如图1所示。
这是一种半离散的建模方法，考虑了纱线的分布，并在次弹性本构中考虑了纱线的特性，将离散的纱线置于连续六面体中可以有效地模拟材料大部分的力学行为，但不能模拟其弯曲变形。
图1 含纤维纱线的六面体有限元[33]（a）初始（b）变形（c）半球成形性图2中Xiong[38]提出了基于DKT6板有限元的7节点棱柱体实体壳有限元，其与9节点六面体元相似，在元素中心沿厚度方向增加了平移自由度，进而可以改善厚度行为，作者提出的粘弹性模型可用于模拟纤维增强热塑性复合材料预浸料的固结行为。
新型三维编织复合材料等网格结构力学性能分析
３ ４ ５
由计算结 果分析 可得 ：
（）等 网格结 构承 受 １ １ ２吨载 荷 变形 后 ， 整体 变 形 量为 ２ ２ ｍ ． ｍ； ７ 由于等 网格 结 构所 受 载 荷 的频 率 一般 比较 低 ，
阶数
８ 巳椰 ４ｌ … … ５ ￣＋０１ ２ １ ． 矩 删 … 一 ｊ８ ＋０ … 一 ７ Ｂ 硼 ４１ ７Ｅ ８ 酗 ＋
计 算 值
１ ５． ２ １ ５
１
２
１ ６． ９ １ ２ １ ｏ． ９ ９ ０ ２ ８． １ ７１ ２ ７． ０ ８ ４
图 ２ 等 网格 结 构 Ｍｓｓ 力 云 图 ｉ 应 ｅ
复合材料 等 网格 结 构 在 计 算 的过 程 中承 载 荷 重 为 １ ２吨 ， 均匀施 加在等 网格结 构 上 端 的 １ 接 头上 ， ２个 每个 接头承 载 １ 。 吨
２ 有 限元计算 结果分 析
模 态 分 析 实 质 是 求 系 统 的 固 有 频 率 和 固有 振 型。在 工作环 境 中等网格结 构通 常会受 到动载 的作
通 过计 算可 得 到 ， 网格 结构 横 向一 阶频 率 为 等
１５ ５ Ｈ ， 向二 阶频 率 １６ ２ ； 向一 阶频 率 为 １ ．２ ｚ 横 １ ．９ 纵
（ ）整个结构承受 的最大 Ｍ ｓｓ 力为８ ．Ｍ ａ ３ ｉ 应 ｅ ０４ Ｐ ，
位 于杆件与接头 连接部 分且 远小 于材 料 的许 用 应力 ３１ ａ ３ＭＰ 。纬杆所受应力小于经 杆所受 应力 ， 各层 纬 杆 上 的应力 分 布一 致 ； 层 经杆 的应力 变 化 比较均 各
四步法三维编织复合材料力学性能的有限元分析
四步法三维编织复合材料力学性能的有限元分析本文提出了一种新的单胞模型，并采用有限元法分析了三维编织复合材料的力学性能。
本文给出了一种三维编织预制件的纱线编织结构的分析方法，得出了编织纱线的运动规律。
编织纱线由携纱器携带，沿携纱器的运动趋势线方向运动。
采用最小二乘法分段对携纱器的相关运动位置点进行拟合，得到编织过程中纱线的空间运动规律，在此基础上，获得的预制件结构的单胞模型，包含内部单胞，表面单胞和棱角单胞。
单胞的取向平行于预制件的表面。
并建立了编织工艺参数和几何结构参数的关系，通过实验验证，证明了工艺参数和几何结构参数之间关系的正确性。
本文在上述几何模型的基础上，建立了有限元的分析模型并进行数值计算来预报三维编织复合材料的弹性模量。
对于三维编织复合材料来说，其划分的单元内既含有基体材料又含有纤维束材料，而且两种材料间还存在界面。
对于这类单元难以用通常的有限元方法进行分析。
因此本文提出了一种新的离散单元模型，将细观单胞作为离散单元对三维编织复合材料进行宏观网格剖分，然后对细观单元进行分析。
根据结构单胞模型，将长方体单胞理想化为加强筋单元，即由一个各向同性弹性基体材料长方体和不同取向具有单轴刚度的纤维单元叠加而成。
并推导了加强筋单元的刚度矩阵，在给定的边界条件下，得出三维编织复合材料的模量。
通过相应软件的编制，使得只要输入相应的编织工艺参数，便可快速，及时准确的做出预报。
并进行了实验验证，预测结果和实验结果吻合较好，证实了三维编织复合材料弹性模量预报的精确性。
三维编织复合材料的细观结构与力学性能
Ｍ ｉ ｒ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｄ ｅ ｈ ｎｉａ ｏ ｒ ｉ ｓ ｏ ｃ ｏ ｔ ｕ ｔ ｒ ｎ Ｍ ｃ ａ ｃ ｌＰｒ ｐｅ ｔｅ ｆ ３Ｄ ａ ｄｅ ｍ ｐ ｓｔ ｓ Ｂｒ ｉ ｄ Ｃｏ ｏ ｉｅ
Ｌ Ｕ ａ ｌ ＣＨＥＮＧ ｎ ａ Ｉ Ｚｈ ｏ ｉ 一． ｎ Ｃａ ｃ ｎ ’
ＫＥ ＹＷ ＯＲＤＳ ３ ｒｉｅ ｏ ｏ ｉ ｓ Ｄ ｂａｄ ｄｃ ｍｐ ｓｔ ：Ｍｉｒｓｒｃｕｅ；Ｍｅｈ ｎｃ ｌｐｏ ｅ ｉｓ ｅ ｃｏｔｕ ｔｒ ｃ ａ ｉａ ｒｐ ｒ ｅ ｔ
１ 引 言
三维编 织复合 材料 是 ２ ０世纪 ８ ０年代 为满 足航 空航 天部 门对高 性能材 料 的需求 而研发 出 的先进结
倍受关 注 。
力 学 性 能是 三 维 编 织 复 合 材 料 结 构设 计 的核 心 ， 接关 系应用 安全 性 与可靠性 ， 观结构 是影 响 直 细
力学性能的关键 ， 正确描述 细观结构是准确预测宏
观力学 性 能的必 要前 提 。细观结 构表征 与力 学性 能
预报 一直是 三维 编 织 复合 材 料 的研 究 重 点 ， ， ａ ｇ和 Ｃ ｏ 针 对 纱 线 间 的相 Ｍａ Ｙ ｎ ｈｕ
要 的理论 价值与 实践 意义 。
互 作用 ， 出 由三 根 正 交 基线 和 四根体 对 角线 纱 线 提 组成 的“ ” 型 单 胞 模 型 ， 图 ２所 示 ， 胶 后 的 米 字 如 浸 基线 和对 角纱线 视为 “ 合材 料 杆 ” 在 单胞 中心处 复 ，
（ ． ｏ ｅｅｏ ｅｔｅ，Ｄ ｎｈ ａＵ ｉ ｒｉ ， ｈｎ ｈｉ ０ ６ ０ Ｃ ｉ ） １ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｘｉ ｓ ｏ ｇｎ ｎ ｅｓｙ Ｓ ａｇａ ２ １２ ， ｈｎ ｌ Ｔ ｌ ｖ ｔ ａ （ ． ｅ ａ ｆ ｅｔｅＳｉｎｅ＆ Ｔ ｃｎｌｇ ｉｉｒ ｆ ｄ ｃｔ ｎ Ｓ ａｇａ ２ １２ ， ｈ ａ ２ Ｋ ｙＬｂｏ ｘｉ ｃ ｃ Ｔ ｌ ｅ ｅｈ ｏ ｙＭ ｎ ｔ ｏ ｕａｏ ， ｈ ｎｈｉ ０ ６ ０ Ｃ ｉ ） ｏ ｓｙ Ｅ ｉ ｎ
三维机织复合材料力学性能研究
能则随厚 度方 向的纤维体积分 数的增 加成形 工艺 和纤
维 的体 积分 数 等 都 对 材 料 的力 学 性 能 有 着 直 接 的影 响， 在研 究三 维机 织 复合 材 料 时 应重 点 考 虑 上述 因素
的变化 对材 料性 能 的影 响 ， 合理 安排 相关 的参数 ， 使材
我们 不能 忽 略几 何 形状 对 材 料 性 能 的影 响 ， 合理
的几何 形 状会 起到 提 高 材 料性 能 的作 用 ， 而 且 为 材料 的设计 选 用提 供 的构件 方便 。
１ ． ２ 纤 维 体 积 含 量 对 材 料 性 能 的 影 响
致， 解决 了纱 线接 节 过渡 问题 ， 系统 地研究 了直 交和 弯
杨 连 贺等Ｌ ８ 提出， 截 面恒 定 不 变假 设 显 然 与 实 际
纤 维 的体 积含 量 是影 响复合 材料 力学性 能 的一个 重 要 参数 ， 其最 大值 与纤 维 在 复 合 材料 中 的排 列 方 式 有关 。三 维机 织 复合 材 料 的 纤 维体 积 分 数增 大 ， 材 料
料达 到 工程 的要 求 。 ２ 三维 机 织复合 材 料细观 结构 及对材 料性 能的 影响
２ ． １ 编 织 角 的 大 小 对 材 料 性 能 的影 响
泛， 它较层 合 板复合 材 料有 很多 优势 ， 其刚度 、 强度、 冲
击韧 性 和抗 疲 劳 性［ ３ “ 都 比较 好 ， 可 成 形 比较 复 杂 的 零 件 。由于 三维机 织 复 合 材 料 的 内部 结 构相 当复 杂 ， 从 宏 观外 形 到细观 结构 模 型上各 种 因素对 它的力 学性 能都 有影 响 ， 因此对 于研究 者来说 ， 正 确理解 这 些 因素
三维四向编织复合材料力学性能预测及实验验证
三维四向编织复合材料力学性能预测及实验验证许善迎;谭焕成;关玉璞;刘璐璐【摘要】In order to predict the elastic constants of 3D four-direction braided composites, unit cell model was established for braided composites with 20°C,30°C,45°Cbraided angle respectively. The elastic properties of the interior cell and the surface cell were predicted using both the stiffness volume aver-age method and the numerical analysis method, and all quasi-static tensile tests were performed on MTS machine. The experimental results, theoretical analysis and numerical simulation results were analyzed. It is found that the axial tensile modulus decreases, and the transverse tensile modulus and transverse shear stiffness increases with the increase of braiding angles because of the decrease of the component of carbon fiber stiffness in the direction of the carrier movement and the increase of the transverse component of carbon fiber stiffness. Tests reveal that the stress-strain curve for the extension tests of specimen of 20°C braided angle exhibit linear elastic type, the stress-strain curve of 30°C specimen shows nonlinear characters, the stress-strain curve of 45°C specimen shows bilinear relation! but the transverse tensile stress-strain curves of all the specimens are basically linear. Combining the longitudinal and transverse tensile test results with the theoretical and numerical data, it is found that the stiffness volume average method and the numerical analysis methods are able to predict the stiffness in the direction of the carrier movement of 3D braided composites well. However,the prediction precision for the transverse stiffness of specimen is not satisfactory, mainly because these methods neglect the interface damage between the fiber and the matrix in tests.%基于三单胞模型,分别采用刚度平均化理论和数值分析方法对编织角为20°,30°,45°的三维四向编织复合材料的弹性常数及其随编织角变化规律进行预测,并在MTS试验机上开展了静态拉伸实验.结合理论分析、数值仿真与实验测试结果,发现随着编织角的增大,纤维束的刚度在纵向分量减小,而在横向分量增加,因此三维四向编织复合材料纵向刚度逐渐减小,横向刚度和横向剪切刚度逐渐增大.实验结果还发现不同编织角的复合材料纵向拉伸曲线具有较大差异,20°编织角实验件呈现线弹性,30°编织角实验件呈现非线性,45°实验件呈现双线性;而三种编织角的实验件的横向拉伸力学行为基本呈线性.通过与实验件纵横向拉伸实验结果对比,发现刚度平均化方法和数值模拟方法对三维编织复合材料编织方向刚度预测较为准确,但由于忽略了纤维与基体脱胶现象,对横向刚度预测偏差较大.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2018(046)006【总页数】9页(P132-140)【关键词】三维编织复合材料;单胞模型;力学性能;刚度平均化方法;数值分析【作者】许善迎;谭焕成;关玉璞;刘璐璐【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TB332三维编织复合材料是将纤维束经一定的编织工艺技术形成预编织件，然后与基体材料固化成型得到的。
三维编织复合材料力学性能的实验研究
三 维 编 织 复 合 材 料 的 一 个 突 出 特 点 是 提 高 了 沿
料 常 规 性 能 的 测 试 内 容 。尽 管 国 内 外 已 发 表 了一 些 三
合 材 料 能 够 直 接 成 型 许 多 具 有 复 杂 形 状 的 结 构 ，特 别 是 与 ＲＴＭ 技 术 的 结 合 ，使 得 其 在 降 低 制 造 成 本 上 具 有 潜 在 的 优 势 。 由 此 引 起 了 研 究 者 们 的 极 大 关 注 ，并 逐 渐 应 用 于 航 空 航 天 、民 用 建 筑 、体 育 器 材 等 领 域 。 自２ Ｏ世 纪 ８ Ｏ年 代 以 来 ．国 内 外 对 三 维 编 织 结 构 复 合 材 料 已 经 进 行 了 大 量 的 研 究 工 作 ，对 编 织 工 艺 参 。 数 、结 构 参 数 和 力 学 性 能 之 间 的 关 系 ，提 出 了 一 些 几 何 模 型 及相 应 的 数 学 模 型 。 Ｍａ等 Ｌ 提 出 了 “ 维 互 锁 ｌ 纤 胞 体 模 型 ” 在 平 行 六 面 体 的 单 元 胞 体 内 ， 沿 四 个 对 ， 将
ｂ ａ ｄ ｄ ｃ ｍｐ ｓ ｔ ｓ Ｔｈ ｒｎ ｉ ａ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｒ ｐ ｒ ｉ ｓ ａ ｄ ｄ ｓ ｒ ｃ ｉ ｎ ｒ ｌ ｆ ３ ｂ ａ ｄ ｄ ｃ ｍ ｐ ｓ ｒｉｅ ｏ ｏ ｉｅ ． ｅ ｐ ｉ ｃ ｐ ｌ ｍ ｃ ａ ｉａ ｏ ｅ ｔｅ ｎ ｅ ｔ ｕ ｔ ｕ ｅ ｏ Ｄ ｒ ｉ ｅ ｏ ｐ ｏ ｏ—
三维正交机织复合材料的拉伸力学性能及介电性能研究
ｏｆｄ ｆｅ ｅ ｔ ｆｂｅ ａ ｅ ｔｄ ｆｅ ｅ ｄ ａ ａ ｓｏｆｆｂｅ ｓ ｉｆ ｒ ｎ ｉ ｒ ｃ ｎ ｅｘ ｒ ｉｆ ｒ ｎｔａ ｖ ｎｔ ｇｅ ｉ ｒ ．
Ｋ ｅ ｒ ｓ： Ｄ ｏｍ ｐ ｉｅ； ｐ ｃ ｆｃ ｔ ｎｓｌ ｔ ｅ ｔ ｓ ｃ ｆｃ ｍ ｏ ｙ ｗｏ ｄ ３ ｃ ｏｓｔ ｓ ｅ ｉｉ ｅ ｉｅ ｓ ｒ ｎｇ ｈ； ｐｅ ｉｉ ｄｕｌ ｓ； ｅ ｅ ｔ ｉ ｏ ｒ ｙ； ｂ ｉ ｔ ｕ — ｕ ｄｉ ｌｃ ｒｃ ｐｒ ｐｅ ｔ ｈｙ ｒ ｄ ｓ ｒ ｃ
ｄ ｓｒａ ｐ ｌ ａｉｎ ． ｅｔ ｎ ｉ ｎ ｉｌｃｒｃ ｐ ｏ ｅ ｔ ｓｏ Ｄ ｒｈ ｇ ｎ ｌｗｏ ｅ ｒ ｍｉ－ ｌｓ ｉｅ ／ ｕ ｔｉｌ ｐｉ ｔｏ ｓ Ｔｈ ｅ ｓｌ ａ ｄ ｄ ｅｅ ｔ ｉ ｒ ｐ ｒｉ ｆ３ ｏ ｔ ｏ ｏ ａ ｖ ｎ ａ ａ ｄ ｇ ａ ｓｆｂ ｒ ａ ｃ ｅ ｅ
Ｗ ｏ ｅ ｖ ｎ Ｃｏｍ ｐ ｉｅ ｏｓ ｔ ｓ
姚
澜， 李文 斌 ， 邱夷 平
（ 东华 大学 纺织学 院 ， 上海 ２ １ ２ ） ０ ６ ０
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（ Ｃｏｌｅ ｆＴｅ ｔｌ ｓ Ｄｏ ｇｈｕ ｌｇｅ ｏ ｘ ｉｅ ， ｎ ａ Ｕｎｉ ｒ ｉｙ， ｖｅ ｓｔ Ｓｈａ ｇｈａ ０ ６２ Ｃｈ ｎ ｎ ｉ２ １ ０， ｉ ａ）
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三维机织复合材料力学性能分析与研究
摘
要：通过对三 维机 织复合材料几 何细观结构 的研 究，分析 了三维机 织复合材料 的力学性 能，采用椭圆形纤维束截面假
设并结合实 际的纱 线形态建立 了一种 新的三维机织 复合材料力学模型 ，对 三维机织复合材料 的拉伸、压缩和层 间剪切强度 进行 了理论分析 ，并与实验 结果进行 了对 比，验证 了力学模型 的正确性 。 关键 词：三维机织复合材料 ；力 学性 能：分析
黄学峰， 三 维机织 复合材料 力学 ｌ能分析与研究 等： 生
Ｆｉ ｂ ｅ ｒ
应 用 开 发
ｇ ａｓ ｌ ｓ
中图分类号 ：Ｑ１ １ ７７７ Ｔ ７ ． ． ７
文献标识码： Ａ
三维机 织复合材 料 力学性 能分析 与研 究术
黄学峰 ，张立泉 ，朱梦蝶 ，梁素兰 ，阮见
（ 中材科技 股份有限公司 ，南京 ２ ０ １ ） １０ ２
基金项 目：江 苏省 自然科 学基金 （ Ｋ ０ ６ ２ ） Ｂ ２ ０ ７ ４ 收稿 日期：２ １— ２ ０ ０ ０ １— ７ 作者 简介 ：黄 学峰 ，男，１ ７ 年４ ９ ９ 月，中材科技 股份有 限公司先 进材料 事业 部工程 师。
透镜 纤维束截 面假设 讨论 了结构和几 何参数对 弹性
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： ３ ｗｏ ｅ ｏ ｏ ｉ ； ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｒ ｐ ｒ ｅ ； ａ ａ ｙ ｉ ｄｓ Ｄ ｖ ｎ ｃ ｍｐ ｓ ｅ ｔ ｃ ａ ｉ ａ ｏ ｅ ｔ ｓ ｐ ｉ ｎ ｌ ｓｓ
０ 前 言
三维机 织复合 材料 以其 比刚度大 、 比强度 高 、 重量 轻 、具 有 良好 的可 设计性和 较高 的冲击损伤 容 限等优 点ｎ２日益受到人们 的关注 ，在众 多领域有着 ， ３ 巨大 的应用 前景 。随着越 来越 多的三维 机织复合 材 料 结构件被广 泛应 用在航 空、航天 等领域 ，三维 机
三维五向编织复合材料宏细观力学性能分析
于胞元 的细 观有 限元 分 析 模 型 ， 过 施 加 合 理 边 界 通
条件 ， 仅能 详尽 地 描 述 材 料 的细 观 结 构 特 征 和 组 不 分本 构关 系 ， 而且 能 有 效 表 征 材 料 的宏 细 观 力 学 性 能 。本 文建 立 了基 于材料 三 维实 体胞 元 的数值 分 析
结 构材 料 ， 能有效 满 足航 天 、 空 等特定 领域 的使用 航
需 求 ， 而 Ｅ益 受 到 人 们 的 广 泛 关 注 。 建 立 该 材 料 因 ｔ
的刚度 、 强度 等基 本 力 学 行 为 的 分 析 与预 报 模 型是 将 该材 料用 于结 构设 计 的重要 前提 。 Ｊ
０ 引 言
１ 单 胞细 观结构 模 型
三维 五 向编织 复合材 料 作为 一种新 型 轻质 高效
确定 合理 的材 料单 胞细 观结 构模 型是建 立基 于 胞元 分析 力学模 型 的基 础 。文 献 ［ ］ ６ 经详 细 研 究 满 加轴 纱 的三维 五 向 编织 工 艺 ， 立 了能 有效 体 现 材 建
徐 混 ，许 希 武
（ 京 航 空 航 天 大 学 结 构 强 度 研 究 所 ，南 京 ２０ １ ） 南 １０６
摘
要 ：基 于 三 维 五 向编 织 复 合 材 料 的 细 观 结 构 胞 元 ， 用 细 观 有 限 元 方 法 建 立 了 材 料 宏 观 等 效 弹 性 性 能 的 采
力 学 分 析 模 型 。 模 型 数 值 结 果 与 拉 伸 试 验 数 据基 本 吻 合 ， 明模 型 可 用 于 该 材 料 的宏 观 力 学 性 能 预 测 。 经 分 析 其 说 细 观 应 力 分 布 及 变 形 ， 明基 于 胞 元 分 析 的 力 学 模 型 能 有 效 预测 含 周期 性 结 构 材 料 的 细 观 力 学 响 应 。 由 于 该 模 型 表
三维编织T300环氧复合材料的弯曲性能及破坏机理
第29卷 第5期2009年10月航 空 材 料 学 报J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LSV o l 29,N o 5 O c t ober 2009三维编织T300/环氧复合材料的弯曲性能及破坏机理李典森1,2, 卢子兴1, 李嘉禄3, 陈 利3(1.北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100083;2.清华大学航天航空学院,北京100084;3.天津工业大学复合材料研究所,天津300160)摘要:针对不同编织角、不同纤维体积含量、不同编织结构的三维编织T 300/环氧复合材料进行了三点弯曲试验,获得了这些编织复合材料的主要弯曲力学性能,分析了不同编织工艺参数对材料弯曲力学性能的影响。
对试件断口进行了宏观及扫描电镜观察,从宏、细观角度研究了材料的变形及其破坏机理。
结果表明,三维编织T300/环氧复合材料具有良好的弯曲力学性能,弯曲载荷-挠度曲线呈现明显的线性特征;编织角、纤维体积含量及编织结构对复合材料的弯曲性能有较大影响;三维编织复合材料的弯曲破坏机理与编织工艺参数有关。
关键词:三维编织;复合材料;弯曲性能;破坏机理中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:1005 5053(2009)05 0082 06收稿日期:2007 09 20;修订日期:2009 04 25基金项目:航空科学基金(04B51045);北京市教育委员会共建项目建设计划(XK 100060522);中国博士后科学基金资助项目(20090450408)作者简介:李典森(1978 ),男,博士后,主要从事复合材料的制备工艺及力学性能研究,(E ma il )li diansen @mai.l t si nghua .ed u .cn 。
三维编织复合材料是近年来发展的一种新型结构复合材料,它从根本上克服了传统层合复合材料易分层、抗层间剪切性能低等致命弱点,为复合材料应用于主承力结构件提供了深远而广阔的应用前景。
三维五向编织复合材料的力学性能分析细观结构模型
三维五向编织复合材料的力学性能分析:细观结构模型1李金超，陈利*，张一帆，孙菲天津工业大学复合材料研究所，天津市和教育部共建先进纺织复合材料重点实验室，天津 (300160)E-mail：chenli@摘 要：建立合理的三维编织复合材料的细观结构模型,对其力学性能的有限元分析具有重要影响。
在实验观察基础上,建立了三维五向编织复合材料的单胞模型,该模型合理地反映了纱线的交织状态和截面形状。
基于该模型建立了编织工艺参数之间的几何关系。
将预制件的外型尺寸和体积含量的计算值与实测值进行比较,吻合较好。
关键词：复合材料；编织复合材料；三维五向；单元胞体中图分类号：TB3321.引言随着三维编织复合材料应用的日益广泛,为了准确预测其力学性能,对其细观结构的深入研究显的尤为重要.特别是随着计算机的快速发展,利用有限元方法进行力学分析越来越广泛。
以往三维编织复合材料细观结构的研究主要集中在三维四向编织结构上[1-5],而三维五向编织复合材料由于第五向轴纱(以下简称为轴纱)的加入,纱线交织以及纱线间的挤压变形更为复杂,相关研究较少。
李典森[6]在分析了三维五向编织物纱线运动规律的基础上，建立了三维五向编织结构的单胞模型，并推导了有关参数之间的关系，但其轴纱椭圆横截面假设与实验观察存在较大差异。
陈利[7]通过对三维五向编织复合材料的截面进行观察，分析了编织物纱线的排列规律及其截面形态的变化，为进一步研究材料的细观结构模型提供了依据。
本文以成型后的编织复合材料为研究对象,在实验观察的基础上,基于纱线运动规律及横截面形状变化,推导了编织工艺参数之间的关系， 建立了三维五向编织复合材料的有限元单元胞体模型，为进一步的有限元分析奠定了基础。
2. 三维五向编织原理三维五向编织复合材料是在三维四向编织复合材料的基础上, 在编织过程中引入沿编织成型方向伸直不动的轴纱而形成的一种新的整体编织结构。
通过加入轴纱, 可以有效提高材料沿编织成型方向的刚度、强度等性能。
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复合 材料 实体模 型． 最后 ， 总结 了 目前研 究 中存在 的 问题 ， 对未来 的研 究趋势进行 了展 望． 并 关键词 ： 维编织 复合材料 ；力 学性 能 ；几何模 型 ；刚度 ；强度 三 中图分 类号 ： Ｂ ３ Ｔ ３２ 文献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ：１０ — ６ ３ ２ １ ） ｌ ０ ３ — ８ ０ ７ ２ ８ （０ １ Ｏ 一 ０ ４ ０
ｐ ｓｔｓｂ ｓ ｄ ｏ ｏ ｍｉｇ ｔｃ ｏ ｏ ｙ，ｂｒｉ ｅ ｒ ｃ ｄ ｒ ｎ ｈ ｏ ｒｅ ｏ ｈ ａ ｓ ａ ｅ ｉ ｔｏ ｕｃ ｄ Ｆｉａｌ ｏ ｉ ａ ｅ ｎ ｆ ｒ ｎ ｅ ｈｎ ｌｇ ｅ ａｄ ｄ ｐ ｏ ｅ ｕ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｕ ｓ ｆｔ ｅ ｙ ｍ ｒ ｎ ｒｄ ｅ ． ｎ ｌ ｙ，ｓ ｍｅ ｏ
ｃ ｌ ａ ｄ ｔ ｅ ｓｕ ｙ ｏ ｔ ｆ ｅ ｓ ａ ｄ ｓｒ ｎ ｔ ．Ｉ ｕ ｒ ａ ｓｍｕ ａ ｉｎ ｒｓ ａ ｃ ｅｌ ｎ ｈ ｔ ｄ ｎ ｓ ｆ ｓ ｎ ｔ ｇｈ ｎ ｎ ｍｅ ｃ ｌ ｉ ｌ ｔ ｅ ｅ ｒ ｈ，ｔ ｅ ｓ ｌ ｄ ｌｏ ｒ ｉ ｅ ｏ ｉｎ ｅ ｉ ｏ ｈ ｏｉ ｍｏ ｅ ｆ Ｄ ｂ ａｄ ｄ ｃ ｍ— ｄ ３
理论 研 究和数值 仿真研 究． 理论 研 究 方 面介 绍 了“ ” 枝状 模 型 、 维倾斜 模 型 、 细胞 模 型 、 在 米 字 纤 三 螺 旋线模 型 以及 基 于细观 结构几何 模型 的 刚度 和 强度性 能研 究． 在数 值 仿真研 究 方 面介 绍 了研 究 人 员根据 三维编 织复合 材料 的成型技 术 、 编织程序 和 纤 维在编 织过 程 中的走 向 等建 立 的三 维编 织
工、 生物 医疗 、 育用 品和建筑 领域 等方 面得到 了广 体
０ 引 言
三维编 织复合 材料 突破 了传统 复合材 料层
泛应 用 ． 由于三 维编 织 复合 材 料 空 间拓 扑 结构 非 常 复杂 ， 几何 细观结 构呈 现周期 性 ； 分相种 类具 有多 组 样性 ； 力学性 能具 有较 大 的分 散性 ． 因此 国 内外 力学
三 维 编 织 复 合 材 料 力 学 性 能 研 究 进 展
曾 涛 ， 姜 黎黎
（ 尔 滨 理 工 大学 建 筑 工 程 学 院 ， 龙 江 哈 尔 滨 １０ ８ ： 述 了近 年 来 国内外对三 维编 织复合材 料 力 学性 能的研 究进展 ， 要 包括 实验研 究、 综 主
（ ｈｏ ｆ ｉｉＥ ｇｎｅ ｎ ｎ ｒｈｔｃ ｒ，Ｈ ｒｉ Ｕ ｉ ｒｉ ｆ ｃｅｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ，Ｈ ｒｉ ５ ００，Ｃ ｉａ ｃ Ｓ ｏｌ ｖｌ ｎｉｅｒ ｇａｄＡｃｉ ｔ ｅ ａｂｎ ｎｖ ｓｙｏ ｉ ｅａｄＴ ｃｎｌ ｙ ａｂｎ［０ ８ ｏＣ ｉ ｅｕ ｅ ｔ Ｓ ｎ ｏ ｈｎ ）
第ｌ ６卷
第１ 期
哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报
Ｊ ＯＵＲＮ ＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢ Ｎ ＵＮ ＶＥ Ｉ Ｙ ＯＦ Ｓ Ｉ ＮＣ Ｄ Ｅ Ｉ Ｉ ＲＳＴ Ｃ Ｅ Ｅ ＡＮ Ｔ ＣＨＮＯ ＯＧＹ Ｌ
Ｖｏ＿１ Ｎｏ ｌ ６ ．１ Ｆ ｂ． ２ ｅ ０ｌｌ
２１ ０ １年 ２月
合板 结构 的概念 ， 有 多 向纱 线 构成 空 间 互锁 网状 具
Ａｂｓｒ ｔ： ｃ ｎ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｆｉ ｖ ｓｉａｉｎ ｉｔ ｃ ａ ｉａ ｒ ｐ ｒｉ ｓ ｏ ｂ ａ ｄ ｄ ｃ ｍｐ ｓｔｓ ａ ｏ ｔａｃ Ｒｅ ｅ ｔｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｓ ｏ ｎ ｅ ｔ ｔｏ ｎｏ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｐ ｏ ｅｔｅ ｆ３ ｇ Ｄ ｒ ｉ ｅ ｏ ｏ ｉｅ ｔｈ ｍｅ
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