纺织结构复合材料三维模型设计[1]
芳纶纳米纤维三维结构
芳纶纳米纤维三维结构芳纶纳米纤维是一种由芳纶聚合物构成的超细纤维材料，具有独特的三维结构。
这种结构使得芳纶纳米纤维在许多领域具有广泛的应用前景，例如纺织品、复合材料、生物医学等。
一、芳纶纳米纤维的制备方法芳纶纳米纤维可以通过静电纺丝、溶液纺丝、热拉伸等方法制备。
其中，静电纺丝是最常用的制备方法之一。
在静电纺丝过程中，将芳纶聚合物溶液注入电极间的喷射器，通过高电压的作用下，使溶液形成细丝，然后经过固化、拉伸等处理，最终得到芳纶纳米纤维。
溶液纺丝和热拉伸方法也可以得到芳纶纳米纤维，但相比之下静电纺丝具有工艺简单、成本低等优点。
二、芳纶纳米纤维的特性芳纶纳米纤维具有许多独特的特性，使得它在众多应用领域中备受关注。
首先，芳纶纳米纤维具有高强度和高模量，能够承受较大的拉伸力而不断裂。
其次，芳纶纳米纤维具有优异的耐热性和耐化学性，能够在高温和腐蚀环境中保持较好的稳定性。
此外，芳纶纳米纤维还具有良好的阻燃性能和抗紫外线能力，因此在防护服、航空航天等领域有着广泛的应用。
三、芳纶纳米纤维在纺织品中的应用芳纶纳米纤维可以与其他纤维材料混纺，制成高性能的纺织品。
由于其高强度和耐磨性，芳纶纳米纤维可以用于制作防弹衣、防护手套等防护用品。
同时，由于其抗菌性能和透湿性能，芳纶纳米纤维还可以用于制作内衣、运动服等舒适性要求较高的纺织品。
此外，芳纶纳米纤维还可以通过染色或印花工艺制成丰富多样的色彩和图案，拓展了纺织品设计的可能性。
四、芳纶纳米纤维在复合材料中的应用芳纶纳米纤维可以与树脂、金属等材料进行复合，制成高性能的复合材料。
芳纶纳米纤维的高强度和高模量使得复合材料具有优异的力学性能和刚性，可以用于制作航空航天器件、汽车零部件等需要高强度和轻质化的产品。
此外，芳纶纳米纤维还可以增强树脂基复合材料的阻燃性能和耐热性能，提高产品在高温环境下的使用安全性。
五、芳纶纳米纤维在生物医学中的应用芳纶纳米纤维具有良好的生物相容性和生物降解性，可以用于生物医学领域。
三维机织正交结构复合材料的参数化设计
Ａｎ ｈ ｎ， ｔ ｅ ｒ ｔ ｎ ｌｔ ｆ ｔ ｅ ｍｏ ｌ ｗａ ｅ ｉ ｅ ｙ ｃ ｍｐａ ｉ ｇ ｔ ｅ ａ ｔ ａ ｔ ｃ ｕ ｅ， ｍｏ ｅ ｔｕｃ ｕ ｅ， ｄ ｔｅ ｈ ａ ｉ ａ ｉｙ ｏ ｈ ｄｅ ｓ ｖ ｒｆ ｄ ｂ ｏ ｏ ｉ ｒ ｎ ｈ ｃ ｕ ｌ ｓｒ ｔ ｒ ｕ ｄ ｌｓｒ ｔ ｒ
三 维 机 织 正 交 结 构 复 合 材 料 的 参 数 化 设 计
冯 兆行 ，田 伟 ，马 雷 雷 ，刘 鹏 ， 成 炎 祝
（ 江 理 工 大 学 先 进 纺 织 材 料 与 制 备 技术 教 育 部重 点实 验 室 ，浙 江 杭 州 浙 ３０１ ） １０ ８
摘 要 为 对 三 维 机 织 正 交 结 构 复 合 材 料 的 力 学 模 拟 分 析 提 供 一 种 模 型 ， 过 观 察 ３层 机 织 正 交 结 构 复 合 材 料 预 通 制 件 的细 观 几 何 结 构 ， 析 其 最小 重 复单 元 中纱 线 间 的 几 何 位 置 关 系 ， 讨 细 观 结 构 中几 何 参 数 与 宏 观 设 计 参 数 分 探
．
ｂ ｔ ｅ ｔ ｅ ｇ ｏ ｔｉａ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｏ ｔ ｅ ｌａ ｔ ｅ ｅ ｔｎ ｕ ｉ ａ ｄ ｈ ｄ ｓｇ ｉｇ ａ ａ ｅｅ ｓ ｅｗｅ ｎ ｈ ｅ ｍｅｒｃ ｌ ａ ａ ｔ ｒ ｆ ｈ ｅ ｓ ｒ ｐ ａｉ ｇ ｎ ｔ ｎ ｔ ｅ ｅ ｉ ｎｎ ｐ ｒｍ ｔｒ ｗａ ｓ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ． Ｏｎ ｔ ｉ ａ ｉ ，ｐ ｒ ｍｅｒｃｄｅ ｉｎ ｏ ｈ ｒ ｆ ｒ ｏ ｏ ｏ ｉ ｔｒａ ｓｃ ｒｉｄ ｏ ｔｂ ｓｎ ｉｃ ｓ ｅ ｈ ｓｂ ｓｓ ａ ａ ｔｉ ｓｇ ｆｔｅ ｐ ｅｏ ｍ ｆｃ ｍｐ ｓｔ ｍａ ｅ ｉｌｗａ ａ ｒｅ ｕ ｙ ｕ ｉｇ ｅ Ｐ ｏ Ｅｎ ｉ ｅ ｒ ｓ ｆ ｒ ｒ ／ ｇｎ ｅ ｏ ｔ ｅ， ａ ｄ ａ ｃ ｍ ｍｏ ｏ ｅ ｆｔ ｅ ３Ｄ ｒｈｏ ｏ ａ ｓｒ ｃｕ ａ ｐ ｅ ｏｍ ｓ ｓａ ｉｈ ｄ ｗａ ｎ ｏ ｎ ｍ ｄ ｌｏ ｈ ｏ ｔ ｇ ｎ ｌ ｔ ｔ ｒ ｌ ｒ ｆ ｒ ｗａ ｅ ｔｂｌ ｅ ｕ ｓ
“四步法”三维编织底盘的发展现状及新思路
“四步法”三维编织底盘的发展现状及新思路郭杰赞;贺辛亥;郑占阳;邢圆圆;王俊勃【摘要】编织底盘是实现“四步法”编织工艺、完成复合材料预制件成型的重要装置.日益复杂的预制件,对底盘上编织纱线的灵活性提出了越来越高的要求.目前应用最为广泛的纵横步进编织底盘很难满足变截面等预制件的编织需求;“主动携纱器”虽然能提高编织纱线运动的灵活性,但其结构复杂难以在实际中应用;Farley和穿梭板编织机可以实现对任意编织纱线运行路径的控制,但织物外形依然受编织底盘形状的限制.针对以上问题及工程中预制件的编织需求提出了由独立运载单元组成编织底盘的思路,该运载单元拥有动力和通信控制装置,可朝任意方向移动,为编织纱线提供了最大限度的自由,可以实现不同形状预制件的编织,突破了底盘形状的限制.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2016(034)001【总页数】6页(P97-102)【关键词】三维编织;编织底盘;结构分析;独立运载单元【作者】郭杰赞;贺辛亥;郑占阳;邢圆圆;王俊勃【作者单位】西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TS103.3“四步法”三维编织技术使纺织增强结构复合材料由单纤维增强、纱线增强、二维织物增强发展到立体仿形增强阶段[1]。
以这种编织工艺所成形预制件为增强结构的复合材料可避免传统层合结构复合材料的分层现象，除拥有传统复合材料固有的质量小、强度高等优势外，还具备良好的冲击韧性和更高的损伤容限以及卓越的抗烧蚀性能[2-5]。
目前，其产品已经开始代替一些传统金属材料、陶瓷材料应用于航天、航空和军工领域，并逐步向汽车、船舶、化工等领域扩展[6-7]。
编织底盘是实现“四步法”编织工艺，完成纤维束在空间内交织的重要装置之一。
先进复合材料三维织物的织造
先进复合材料三维织物的织造N.Khokar;贺春霞【摘要】作为先进复合材料增强材料的3D织物的工业发展仍较缓慢,原因是工程预型件的形状可靠性、快速开发和交付及低成本这3个关键性需求大都没有得到解决.这些需求很难通过2D织造实现.2D织造工艺主要用于制备2D或片状织物,它也能制备3D织物,并常被误认为是3D织造工艺.Biteam AB公司成功研发并证实了2D织造和3D织造的差异.3D工艺中双向开口系统的开发,实现了独特的垂直和水平方向的织造,这是2D织造工艺所不能达到的.这项新技术可满足3D织物技术和经济方面的需求.3D织造工艺的开发完全符合现有的织造基本原理,从而使得3D织造工艺技术得以实现.3D织造工艺可直接用于制备夹心、实心和管状的异形截面3D织物.提请注意某些相关方面,以促进织造工艺的进一步演变.%The industrial growth of 3Dfabrics as reinforcements for advanced composite materials remains slowly because 3key demands remain mostly unaddressed:engineering pre-forms with shapeperformance reliability, development and deliverying them in short time, and making them affordable.These demands are difficult to realize through 2D weaving process which is basically devised for manufacturing 2D or sheet-like materials.Strangely, its ability to produce 3D fabrics has been incorrectly assumed to be the 3Dweaving process.This discrepancy has been overcome by Biteam AB by following a fundamentally different path from the rest.Through development of the first ever weaving device incorporating the dual-directional shedding system, weaving is uniquely performed vertically and horizontally, which is not possible by the2Dweaving process.By means of this novel method, the various technical and economic demands are achieved.This development fully complies with the established principles of weaving, and hence enables the technical realization of the 3D weaving process.The proprietary 3D weaving process uniquely produces profiled cross-section 3D fabrics directly in shell, solid and tubular types.Attention is drawn here to certain relevant aspects to enable further evolution of the timeless weaving process.【期刊名称】《国际纺织导报》【年(卷),期】2018(046)011【总页数】4页(P42-44,46)【关键词】3D织造工艺;2D织造工艺;先进复合材料;3D织物【作者】N.Khokar;贺春霞【作者单位】Biteam AB公司(瑞典);Biteam AB公司(瑞典)【正文语种】中文3D织物的应用已有100多年的历史，较为人熟知的应用包括矿产行业的运输带、纸浆行业的造纸毡、装饰用的双层布等。
正交-准正交复合三维机织复合材料力学性能
正交-准正交复合三维机织复合材料力学性能作者：申晓刘向东田伟祝成炎来源：《现代纺织技术》2019年第02期摘要：为弥补单一结构三维机织复合材料在性能方面的不足，研究正交-准正交复合三维机织复合材料的力学性能。
以高强涤纶长丝为原料，分别织造四层正交和准正交三维机织结构作为预制件，依据均衡对称准则设计4种复合结构，选用双酚A环氧乙烯基脂为基体，制备正交、准正交及复合三维机织复合材料，并对制得的复合材料进行经向拉伸和弯曲性能测试。
结果表明：准正交三维机织复合材料的经向拉伸和弯曲性能均优于正交三维机织复合材料;在复合三维机织复合材料中，复合顺序对复合材料性能的影响大于复合比例;正交结构位于材料表层时复合材料可以获得更优异的力学性能。
关键词：复合结构;三维机织物;复合材料;经向拉伸性能;经向弯曲性能中图分类号：TS195.644文献标志码：A文章编号：1009-265X（2019）02-0006-06Abstract：In order to make up for the performance defect of 3D woven composite with single structure， mechanical properties of orthogonal and quasi-orthogonal 3D woven composites with combined structure were investigated. The high-strength polyester filament yarn was used as the raw material to weave four-layer orthogonal and quasi-orthogonal 3D woven structures as preformed units， and four kinds of combined structures were designed according to the principle of symmetry. Orthogonal woven composites， quasi-orthogonal woven composites and combined 3D woven composites were prepared by using bisphenol A epoxy vinyl ester as the matrix. Tensile and bending properties of the composites at warp direction were tested. The results indicated that tensile and bending properties at warp direction of the quasi-orthogonal woven composites were better than that of the orthogonal woven composites. Among the combined 3D woven composites， the effect of combined sequence was greater than the combined ratio. When the orthogonal structure was laid on the surface of the composites， the composites could get better mechanical properties.Key words：combined structure; 3D woven fabric; composite; tensile property at warp direction; bending property at warp direction三维机织复合材料是利用机织加工方法将多个系统的纱线连为空间网状结构，然后在一定条件下与基体复合而得到的一种高性能复合材料，具有良好的可设计性并且由于厚度方向上存在增强纤维，其强度、刚度、抗冲击性和抗疲劳性优良[1]。
复杂载荷作用下的三维编织复合材料力学性能分析
复杂载荷作用下的三维编织复合材料力学性能分析姜黎黎;徐美玲;王幸东;翟军军【摘要】基于螺旋型单胞几何模型和多相有限元理论,建立了三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析模型.通过对代表体积单胞施加不同的复杂载荷比,数值预报了三维四向编织复合材料在双向拉伸和拉剪载荷作用下的破坏点,得到了材料的破坏包络线.结果表明,编织角对三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的破坏影响较大,编织角比较小时,应重视复杂载荷之比对材料破坏的不利影响.此方法为三维编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析提供了有效方法.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2018(023)004【总页数】5页(P108-112)【关键词】三维编织复合材料;力学性能;螺旋型几何模型;复杂载荷【作者】姜黎黎;徐美玲;王幸东;翟军军【作者单位】哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TB3320 引言三维编织复合材料由于其增强体为三维整体编织结构，突破了传统复合材料层合板结构的概念，在提高复合材料层间强度、抗冲击、抗断裂和损伤容限等方面具有巨大的优势和潜力，同时具有优良的可设计性，可以一次成型复杂的零部件。
因此，三维编织复合材料受到工程界的普遍关注，在航空、航天、国防、体育用品和生物医疗等领域得到了广泛应用[1]。
Ma、Yang、Kalidindi和吴德隆[2-5]等在详细分析了三维编织复合材料的成型技术与编织工艺的基础上，分别建立了“米”字型单胞模型、纤维倾斜模型、螺旋纤维模型以及三胞模型，并基于这些细观结构几何模型研究了三维编织复合材料的刚度Ko[6]对三维编织石墨/环氧树脂复合材料进行了拉伸实验，结果表明近似垂直于加载方向失效面上的纤维断裂是引起三维编织复合材料失效的主要原因。
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。
三维预制体旋转编织结构设计及其复合材料压缩性能
2023-11-08contents •三维预制体旋转编织结构概述•三维预制体旋转编织结构设计•三维预制体旋转编织结构的复合材料应用•三维预制体旋转编织结构的复合材料压缩性能实验研究目录contents •三维预制体旋转编织结构的未来研究方向与挑战•三维预制体旋转编织结构在工程实践中的应用案例研究目录01三维预制体旋转编织结构概述定义三维预制体旋转编织结构是一种先进的纺织结构，通过在三维空间中采用旋转编织的方法形成具有周期性结构的预制体。
特点具有高比强度、高比刚度、优良的能量吸收能力、各向同性、优良的损伤容限等优点。
定义与特点用于制造飞机零部件、卫星部件等，提高性能并降低重量。
航空航天汽车工业生物医疗用于制造汽车零部件，提高强度和刚度，降低成本。
用于制造医疗器械和生物材料，具有较好的生物相容性和机械性能。
03结构应用领域0201设计流程首先确定材料类型和规格，然后根据应用需求进行结构设计，最后进行模型优化和性能评估。
技术采用计算机辅助设计软件进行建模、模拟和分析。
同时，利用先进的纺织技术和机械设备进行预制体的制作和加工。
结构设计流程与技术02三维预制体旋转编织结构设计利用数值模拟技术，如有限元分析（FEA），对三维预制体的旋转编织过程进行模拟，预测其结构性能。
基于数值模拟的方法通过实验测试，对不同编织方法和材料体系的复合材料进行压缩性能测试，评估其力学性能。
基于实验的方法结构设计方法结构优化设计优化预制体结构设计根据数值模拟和实验结果，对预制体的结构进行优化设计，以提高其承载能力和稳定性。
优化编织工艺参数通过调整编织工艺参数，如编织速度、纱线类型和纱线张力等，优化复合材料的微观结构和性能。
针对某一种新型复合材料，设计了一种三维预制体旋转编织结构，并对其进行了数值模拟和实验测试。
通过对比分析，验证了该结构的可行性和优越性。
案例二针对另一种新型复合材料，采用实验方法研究了预制体旋转编织结构的压缩性能，并对其进行了优化设计和工艺参数调整。
结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响
浙江理工大学学报,第51卷,第1期,2024年1月J o u r n a l o f Z h e j i a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t yD O I :10.3969/j.i s s n .1673-3851(n ).2024.01.008收稿日期:2022-12-09 网络出版日期:2023-07-07基金项目:国家自然科学基金面上项目(52075498);浙江理工大学科研启动基金(11152932612007)作者简介:武维莉(1990- ),女,安徽宿州人,讲师,博士,主要从事复合材料方面的研究㊂结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响武维莉,潘忠祥(浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),杭州310018) 摘 要:为了研究三维机织结构参数与复合材料力学性能之间的关系,设计织造了4种不同结构的三维机织物,包括浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结和接结纬接结+衬纬纱结构,并分别将其制备成复合材料,通过材料试验机探究所得复合材料的结构参数对拉伸㊁剪切性能的影响㊂结果表明:纤维体积分数相同时,纱线的屈曲和纱线交织结构决定了复合材料的拉伸性能及尺寸稳定性㊂经向上,浅交直联结构复合材料拉伸性能和尺寸稳定性最佳,经纱屈曲大的接结纬接结+衬纬纱结构复合材料拉伸性能和尺寸稳定性最差;纬向上,接结纬接结结构复合材料拉伸性能和离散性最差㊂对比2个方向的拉伸性能发现,复合材料的纬向拉伸性能远远优于经向拉伸性能㊂织物的交织结构决定了剪切性能及尺寸稳定性,浅交直联复合材料的结构紧密,剪切模量最大,接结纬接结复合材料的结构疏松,剪切模量最小,而剪切强度几乎呈相反的规律㊂该研究明确了纤维体积分数㊁纱线屈曲程度㊁织物交织结构等结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响,为三维机织复合材料的研究和应用提供了参考㊂关键词:三维;机织复合材料;拉伸性能;剪切性能;尺寸稳定性中图分类号:T S 195.644文献标志码:A文章编号:1673-3851(2024)01-0063-11引文格式:武维莉,潘忠祥.结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响[J ].浙江理工大学学报(自然科学),2024,51(1):63-73.R e f e r e n c e F o r m a t :W U W e i l i ,P A N Z h o n g x i a n g .T h e e f f e c t o f s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o n t h e t e n s i l e a n d s h e a r p r o pe r t i e s of 3D w o v e n c o m p o s i t e s [J ].J o u r n a l o f Z h e j i a ng S c i -T e ch U ni v e r s i t y,2024,51(1):63-73.T h e e f f e c t o f s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o n t h e t e n s i l e a n d s h e a r p r o p e r t i e s o f 3D w o v e n c o m po s i t e s W U W e i l i ,P A N Z h o n g x i a n g(C o l l e g e o f T e x t i l e S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g (I n t e r n a t i o n a l I n s t i t u t e o f S i l k ),Z h e j i a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t y ,H a n gz h o u 310018,C h i n a ) A b s t r a c t :T o i n v e s t i g a t e t h e r e l a t i o n s h i p be t w e e n t h e p a r a m e t e r s of T h r e e -d i m e n s i o n a l (3D )w o v e n s t r u c t u r e s a n d t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o m po s i t e s ,f o u r s t r u c t u r e s o f 3D w o v e n f a b r i c s w e 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s i t e s e x h i b i t t h e m o s t e x c e l l e n t t e n s i l e p r o p e r t i e s a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y ,w h i l e t h e "s t i t c h i n g we f t "w e f t k n i t t e d+i n s e r t e d w e f t r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s w i t h l a r g e w a r p c r i m p at t a i n t h e w o r s t t e n s i l e p e r f o r m a n c e .I n t h e w e f t d i r e c t i o n ,t h e s t r u c t u r e "s t i t c h i n g w e f t "w e f t k n i t t e d r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s s t i l l e x h i b i t t h e w o r s t t e n s i l e p r o p e r t y a n d d i s c r e t e n e s s .C o m p a r i s o n o f t h e t e n s i l e p r o p e r t i e s i n b o t h d i r e c t i o n s i n d i c a t e s t h a t t h e t e n s i l e p r o p e r t yo f t h e c o m p o s i t e s i n t h e w e f t d i r e c t i o n i s s u p e r i o r t o t h a t i n t h e w a r p d i r e c t i o n.T h e i n t e r l a c i n g s t r u c t u r e o f t h e f a b r i c s d e t e r m i n e s t h e s h e a r p r o p e r t i e s a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y.T h e s h a l l o w c r o s s-l i n k e d c o m p o s i t e s p e r f o r m t h e h i g h e s t s h e a r m o d u l u s w i t h a d e n s e s t r u c t u r e,w h i l e t h e"s t i t c h i n g w e f t"w e f t k n i t t e d c o m p o s i t e s w i t h a l o o s e r s t r u c t u r e r e s u l t i n a l o w e s t s h e a r m o d u l u s.H o w e v e r,t h e s h e a r s t r e n g t h s h o w s a n a l m o s t o p p o s i t e l a w.T h i s s t u d y c l a r i f i e s t h e e f f e c t s o f t h e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s s u c h a s f i b e r v o l u m e f r a c t i o n,y a r n c r i m p d e g r e e,a n d f a b r i c i n t e r l a c i n g s t r u c t u r e o n t h e t e n s i l e a n d s h e a r p r o p e r t i e s o f3D w o v e n c o m p o s i t e s,p r o v i d i n g r e f e r e n c e f o r t h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f3D w o v e n c o m p o s i t e s.K e y w o r d s:3D;w o v e n c o m p o s i t e s;t e n s i l e p r o p e r t y;s h e a r p r o p e r t y;d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y0引言纤维增强复合材料因具有较高的比强度㊁比模量以及较好的耐疲劳和耐腐蚀特性,广泛应用于航空航天㊁船舶㊁汽车㊁建筑等领域㊂由于层间或Z向纱的增强作用,三维机织增强复合材料的层间力学性能明显优于二维结构[1-4]㊂B e h e r a等[5]发现,三维机织复合材料具有优异的抗冲击性㊁防刺穿及动态热机械性能㊂P e e r z a d a等[6]研究发现,三维机织结构中Z向纱的存在使经纬纱承担的负荷减少,提升了复合材料的整体强度和刚度㊂B r a n d t等[7]发现,Z向纱明显提高了复合材料的层间性能,其含量的增加使经纬向的拉伸强度下降,但压缩强度不受影响㊂C o x等[8]探究了三维机织复合材料的拉伸㊁压缩和弯曲性能,结果发现与二维复合材料相比,三维复合材料的面外性能增加,面内性能有所降低㊂I v a n o v等[9]认为,三维复合材料的杨氏模量与二维复合材料接近,但在45ʎ方向上,三维复合材料的最大应力㊁应变明显高于二维复合材料㊂P o t l u r i等[10]探究了三维复合材料的抗冲击性能,发现不同结构的三维复合材料的损伤面积和宽度相似,但远小于二维复合材料㊂针对不同结构的三维复合材料力学表现,国内外学者展开了相关研究㊂S a l e h等[11]研究了3种不同结构(正交结构㊁层层角联锁和角联锁结构)的三维机织复合材料的准静态拉伸性能,发现不同结构的复合材料的拉伸刚度与强度主要取决于经纱和纬纱含量,而结构类型的影响较小㊂其他学者也发现,织物结构对复合材料力学性能有重要影响㊂B e h e r a 等[5]探究了三维机织复合材料的拉伸性能,发现不同结构的材料,其拉伸强度在经向上的大小排序为三维正交结构复合材料㊁经向联锁结构复合材料㊁角联锁结构复合材料,而在纬向上则相反㊂H u a n g 等[12]测试了4种玻璃纤维三维机织复合材料的拉伸性能,包括层与层绑定的正交结构㊁完全正交结构㊁角联锁结构㊁改进的角联锁结构,发现织物结构与复合材料的拉伸强度及尺寸稳定性有很大关系㊂X u等[13]㊁D a i等[14]和J i a o等[15]探讨了织物结构对三维复合材料拉伸性能的影响,发现结构不同导致富树脂区不同,角联锁结构复合材料在经纱方向上具有较大的拉伸模量和强度㊂S t i g等[16]验证了这一观点,并且通过实验发现三维复合材料的刚度和强度随着纱线的屈曲增加呈现非线性下降,添加填充纱可以增加复合材料的力学性能㊂上述工作探究了三维机织结构复合材料与力学性能之间的关系,但是三维机织结构种类繁多,设计人员须根据使用工况选择合适的织物结构㊂然而,目前三维机织结构与力学性能之间的关系研究不够充分,影响了对其力学性能可靠性的评估㊂本文设计织造了4种不同结构的三维机织物,包括浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结和接结纬接结+衬纬纱结构,并分别将其制备成复合材料,对三维机织复合材料的拉伸性能和剪切性能进行测试,分析了织物结构参数对复合材料的拉伸和剪切性能的影响㊂本文的研究结论为三维机织复合材料的设计和应用提供了指导㊂1实验部分1.1实验材料碳纤维纱线(T70012K,纤度954.3t e x)购于日本东丽公司;环氧树脂(R T M3266)购于中航复合材料有限责任公司;多综眼多剑杆织机,自研㊂纤维和树脂的基本参数见表1㊂表1实验材料的基本参数实验材料密度/(g㊃c m-3)抗拉模量/G P a抗拉强度/M P a断裂伸长率/%碳纤维1.8023049002.1环氧树脂1.252605.0 1.2实验方法1.2.1三维织物织造本文设计了4种不同组织结构的碳纤维三维机46浙江理工大学学报(自然科学)2024年第51卷织结构,包括浅交直联结构㊁层层角联锁结构㊁接结纬接结结构和接结纬接结+衬纬纱结构,在多综眼多剑杆织机上完成织造㊂三维织物实物照片及沿织物经向的截面结构示意图如图1所示,其中:结构示意图中绿色椭圆点代表纬纱,白色屈曲的纱线代表经纱;白色实线表示观察切面上的经纱,而虚线则表示交织着的相邻经纱㊂上机织造及织物参数见表2,织物的上机图如图2所示㊂图14种三维织物实物照片和沿经向截面结构示意图表2三维机织物的织物参数织物结构经密/(根㊃10c m-1)纬密/(根㊃10c m-1)平方米质量/(k g㊃m-2)厚度/m m浅交直联61.842.665518.51层层角联锁59.430.674638.81接结纬接结接62.857.8796810.02接结纬接结+衬纬纱60.057.4766010.62注:为了对比方便,表中经密㊁纬密指单层交织结构的纱线根数㊂而实际上三维机织结构在厚度上有多层交织结构,总的经纬密度还应该乘以交织层数㊂1.2.2复合材料的制备实验采用树脂传递模塑成型工艺(R e s i n T r a n s f e r M o l d i n g,R T M)制作复合材料,其工艺过程及原理如图3所示㊂首先在预设厚度的模具内放置三维织物,闭合模具并灌注树脂,然后在常温条件下固化,制备复合材料㊂在成型过程中,固定的模腔深度导致4种三维机织复合材料的厚度一致,复合材料的厚度均为8.30m m㊂由于织物平方米质量不同导致复合材料的纤维体积分数(F i b e r v o l u m e f r a c t i o n,V f)有所区别,4种三维复合材料的V f见表3㊂1.3测试与表征1.3.1复合材料的拉伸性能测试采用材料实验机(I n s t r o n5940,美国I n s t r o n公司)测试复合材料的经向和纬向性能,测试方法采用A S T M D3039/D3039M-08S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r T e n s i l e P r o p e r t i e s o f P o l y m e r M a t r i x C o m p o s i t e M a t e r i a l s㊂经向拉伸采用矩形长条试样,示意图如图4(a)所示㊂由于纬向纱线伸直度高,断裂失效容易发生在试样两端,因此纬向拉伸试样设计成狗骨形状,示意图如图4(b)所示㊂实验时首先调节拉伸夹具的标距,设为150m m,安装试验件,然后连接应变片和数采系统㊂为了使夹具夹紧试样,对夹具施加一定的预加张力(纬向拉伸为3k N,经向拉伸2k N),拉伸速度设定为2m m/m i n㊂每种结构测试5个样品㊂1.3.2复合材料的剪切性能测试剪切测试采用A S T M D5379/D5379M-12 S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r S h e a r P r o p e r t i e s o f C o m p o s i t e M a t e r i a l s b y t h e V-N o t c h e d B e a m M e t h o d,测试试样示意图和夹具实物照片如图5所示㊂实验时把试样放置在V型切口剪切夹具内部,将夹具安装到材料试验机的压缩盘上,调节上压盘靠近夹具的压杆上,设定测试速度为2m m/m i n㊂根据测试56第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响图2 4种三维织物的织造上机图标准,在剪切应变大于5%时,试样视为破坏,测试终止㊂每种结构测试5个样品㊂1.3.3 试样编号测试前对实验试样进行系统性地编号,定义4种复合材料的经向拉伸性能(编号 -T J )和纬向拉伸性能(编号 -T W )㊁剪切性能(编号 -S),每种结构测试5个试样,其编号分别是N o .1㊁N o .2㊁N o .3㊁N o .4㊁N o .5㊂4种织物结构(浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结接㊁接结纬接结+衬纬纱)的编号分别是01㊁02㊁03㊁04㊂例如,浅交直连复合材料的经向拉伸5个试样测试编号分别是01-T J -N o .1㊁01-T J -N o .2㊁01-T J -N o .3㊁01-T J -N o .4㊁01-T J -N o .5,测试试样的具体编号见表4㊂2 结果与讨论2.1 织物结构分析本文设计织造的4种组织结构中经纬纱的交织规律不同,其中三维织物浅交直联和层层角联锁结构相似,而接结纬接结和接结纬接结+衬纬纱结构更为相似㊂相对于接结纬接结,接结纬接结+衬纬纱在纬向上又添加了额外的衬纬纱,使得纬纱含量有所增加㊂三维机织结构在厚度方向上形成多层的经纬纱交织,相比二维机织物,三维机织结构层间性能更佳,作为复合材料增强体结构具有一定的优势㊂织物的交织程度决定了结构的紧密程度,也影响了力学性能的稳定性㊂纱线交织点越多,形成的织物结构越稳定,纱线自由度小,受到载荷时材料的力学性能越稳定㊂以浅交直联结构为例,在织造打纬时,经纱每横跨两根纬纱交织形成扣锁一次,即在1㊁3㊁5列纬纱处形成紧密的交织结构,如图6所示㊂在织造2和4列纬纱时,经纱只发生上下移动形成梭口用来添加纬纱,而不会施加较大的力锁紧纱线㊂同理,对于层层角联锁结构,织造每一根纬纱都会交图3 R T M 工艺过程及原理图66浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷表3 三维机织结构复合材料的纤维体积分数V f织物结构V f /%浅交直联41.85层层角联锁48.00接结纬接结接43.44接结纬接结+衬纬纱51.13织扣紧一次,使得织物结构变得紧密㊂定义图6中1至3列的纬纱隔距为打纬交织宽度T ㊂T 越小,纱线交织次数越多,织物结构越紧密;T 越大,经纱及纬纱受到的束缚越小,织物结构越疏松㊂4种结构的打纬交织宽度的统计数据见表5㊂图4 复合材料拉伸测试试样示意图图5 复合材料剪切测试试样示意图及测试设备表4 4种三维复合材料的测试编号织物结构经向拉伸编号纬向拉伸编号剪切编号浅交直联01-T J -N o .1㊁01-T J -N o .2㊁01-T J -N o .3㊁01-T J -N o .4㊁01-T J -N o .501-T W -N o .1㊁01-T W -N o .2㊁01-T W -N o .3㊁01-T W -N o .4㊁01-T W -N o .501-S -N o .1㊁01-S -N o .2㊁01-S -N o .3㊁01-S -N o .4㊁01-S -N o .5层层角联锁02-T J -N o .1㊁02-T J -N o .2㊁02-T J -N o .3㊁02-T J -N o .4㊁02-T J -N o .502-T W -N o .1㊁02-T W -N o .2㊁02-T W -N o .3㊁02-T W -N o .4㊁02-T W -N o .502-S -N o .1㊁02-S -N o .2㊁02-S -N o .3㊁02-S -N o .4㊁02-S -N o .5接结纬接结接03-T J -N o .1㊁03-T J -N o .2㊁03-T J -N o .3㊁03-T J -N o .4㊁03-T J -N o .503-T W -N o .1㊁03-T W -N o .2㊁03-T W -N o .3㊁03-T W -N o .4㊁03-T W -N o .503-S -N o .1㊁03-S -N o .2㊁03-S -N o .3㊁03-S -N o .4㊁03-S -N o .5接结纬接结+衬纬纱04-T J -N o .1㊁04-T J -N o .2㊁04-T J -N o .3㊁04-T J -N o .4㊁04-T J -N o .504-T W -N o .1㊁04-T W -N o .2㊁04-T W -N o .3㊁04-T W -N o .4㊁04-T W -N o .504-S -N o .1㊁04-S -N o .2㊁04-S -N o .3㊁04-S -N o .4㊁04-S -N o .52.2 结构参数对三维机织复合材料的拉伸性能的影响2.2.1 经向拉伸性能三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线如图7所示㊂由图7可知:4种复合材料的拉伸应力-应变曲线表现不同,随着应变增加,浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的拉伸应力-应变呈线性关系,复合材料表现出线弹性的材料属性;而接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的拉伸应力在应变较小时呈线性增加,但是随着应变的增大,拉伸应力增长速度减缓,即拉伸模量(应力/应变)呈下降的趋势㊂分析经向拉伸离散性,发现:浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的经向拉伸一致性最好,表现为5个试样的拉伸曲线离散程度小㊂相反,接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合76第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响图6 三维机织打纬交织示意图表5 三维机织结构的打纬宽度织物结构打纬宽度/m m浅交直联2.34层层角联锁3.26接结纬接结接6.92接结纬接结+衬纬纱2.34材料的拉伸离散程度大,即尺寸稳定性不佳,这与织物交织结构有关㊂三维机织结构中的经纱由于交织作用,纱线往往呈屈曲的状态,且纱线的屈曲程度会影响拉伸方向上的力学性能㊂纱线的屈曲程度(C )可以采用式(1)计算:图7 4种三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线C =l l 0(1)其中:l 代表织物中纱线屈曲状态下的跨距长度,l 0代表纱线从织物中提取出来完全伸直的实际长度㊂图8显示了纱线屈曲形成的纱线交织方式㊂表6汇总了4种三维复合材料的拉伸性能参数及经纱屈曲情况㊂从表6可以发现,经纱屈曲会影响复合材料的拉伸模量,接结纬接结+衬纬纱结构的纱线屈曲最高,模量最低㊂但是拉伸强度与纱线屈曲之间不具有明显的规律,这可能需要同时考虑经向上的纱线含量㊂图8 纱线屈曲示意图已有研究发现,三维机织复合材料的力学性能与纤维体积分数关系很大,经纬向上的纱线含量直接影响复合材料的拉伸性能[17]㊂为了有效评估经纬向上不同含量的三维机织复合材料的拉伸性能,对复合材料的力学性能进行归一化处理,即将不同复合材料的拉伸性能统一转换经向或纬向上V f 为86浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷表64种三维复合材料的经向拉伸性能参数结构经纱屈曲拉伸模量/G P a拉伸模量C V/%拉伸强度/M P a拉伸强度C V/%经纱V f/%浅交直联1.08322.489.02311.076.1525.53层层角联锁1.15624.983.41238.926.5826.19接结纬接结接1.13922.8520.03194.876.5526.81接结纬接结+衬纬纱1.33017.3624.48175.0121.8429.5425%的等效拉伸性能㊂断裂强度和抗拉模量的归一化计算为:σ'=σVfˑ25(2)E'=E Vfˑ25(3)其中:σ'是纤维体积分数为25%时的强度,M P a;σ为未归一化转换前的强度,M P a:E'为纤维体积分数为25%时的模量,G P a;E为未归一化转换前的模量,G P a㊂图9为经纱V f归一化处理后的4种复合材料拉伸模量㊁强度与经纱屈曲的关系㊂由图7可知,经纱屈曲程度会影响复合材料的拉伸性能,当经纱V f 统一为25%后,经纱屈曲程度越高,三维复合材料经向拉伸性能越差㊂三维机织结构复合材料的经向拉伸模量和强度整体上呈现相似的规律,大小排序为浅交直联结构复合材料㊁层层角联锁结构复合材料㊁接结纬接结结构复合材料㊁接结纬接结+衬纬纱结构复合材料㊂当经纱含量相同时,浅交直联结构复合材料的纱线屈曲最小(C=1.083),拉伸时经纱更容易发挥轴向上的力学优势,纱线强度利用率高,导致模量和强度达到最佳状态㊂接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的经纱屈曲最大(C=1.330),受力时经纱强度利用率低,拉伸性能最差,且离散值最大㊂浅交直联结构复合材料的拉伸离散度较小,尺寸稳定性好,这与经纱交织宽度相关㊂由表6的数据可知,浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的交织宽度最小,分别是2.34m m和3.26m m㊂较小的纱线交织宽度导致在织造打纬时受到的打纬力更大,纱线的交织次数更多,织物结构更紧密,导致复合材料的拉伸离散性更小㊂相反,接结纬接结接结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的交织宽度较大,分别为6.92m m和8.55m m,导致织物结构不够紧密,拉伸模量和强度离散性大[18]㊂图10为V f归一化后,4种机织结构复合材料经向上的拉伸模量衰减情况,衰减速率大小排序为接结纬接结+衬纬纱相近㊁接结纬接结㊁层层角联图9归一化处理后4种机织结构复合材料的经向拉伸模量和强度(V f=25%)锁㊁浅交直联,这与经纱的屈曲状态和经纬纱的交织情况有关㊂伸直的纱线对拉伸性能的贡献大于屈曲的纱线[19],纱线屈曲明显的结构,如接结纬接结+衬纬纱结构复合材料和接结纬接结结构复合材料,无法充分发挥纤维的力学优势,受拉时屈曲的纱线有伸直的趋势;当拉伸载荷增加,经纱试图伸直造成树脂剪切破坏[20],导致复合材料的失效,从而模量发生明显的衰减㊂浅交直联结构复合材料由于经纱屈曲小,拉伸时纱线伸直变形小,且经纬纱交织结构紧密,失效前拉伸模量一直保持稳定不变㊂图104种机织结构复合材料经向拉伸模量随拉伸应变的变化曲线(V f=25%) 2.2.2纬向拉伸性能三维机织复合材料的纬向拉伸应力-应变曲线如图11所示㊂与经向拉伸曲线有所不同,4种复合材料纬向的拉伸应力-应变曲线均呈线性特征,表现出了线弹性的属性㊂由于织造时的打纬运动,纬纱在织物中几乎处于伸直状态[19],在纬向拉伸时,复96第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响合材料主要的变形来自于纬纱的拉伸和伸长,因此拉伸曲线呈线性特征㊂相比经向拉伸行为,4种结构复合材料的5个试样的纬向拉伸离散程度较小,拉伸曲线一致性好㊂其中,浅交直联结构复合材料的纬向试样拉伸离散性最小,接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的离散性最大㊂与经向拉伸行为相似,这主要与织物结构有关㊂图11 4种机织结构复合材料的纬向拉伸应力-应变曲线 表7汇总了复合材料纬向上的拉伸性能,可以发现纬纱的屈曲程度远远小于经纱,与经纱的屈曲规律相同,纬纱的屈曲从小到大的顺序为:浅交直联㊁层层角联锁㊁接结纬接结接㊁接结纬接结+衬纬纱㊂拉伸性能同时受到纬纱含量的影响,因此对纬纱含量进行归一化后,从而对比纬向上的拉伸性能㊂表7 4种三维复合材料的纬向拉伸性能参数织物结构纬纱屈曲拉伸模量/G P a拉伸模量C V /%拉伸强度/M P a 拉伸强度C V /%纬纱V f/%浅交直联1.00430.004.07489.772.9116.33层层角联锁1.00543.804.48629.772.2621.82接结纬接结接1.00927.147.83411.6215.8820.31接结纬接结+衬纬纱1.01247.228.59726.672.5421.58图12为V f 统一为25%后的纬向拉伸模量㊁强度㊂由图12可知:当V f 相同时,4种结构复合材料的纬向上的拉伸模量㊁强度呈现相似的规律,从大到小的顺序为:接结纬接结+衬纬纱结构复合材料㊁层层角联锁结构复合材料㊁浅交直联结构复合材料㊁接结纬接结结构复合材料㊂与经向拉伸相同,浅交直联结构复合材料和层层角联锁复合材料的纬向拉伸性能依然优于接结纬接结结构复合材料,表明这两种材料具有结构上的优势㊂浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的纬纱屈曲小,且纱线交织宽度小导致交织次数多,织物结构紧密,对纬纱的束缚张力大,纬向拉伸离散小㊂而接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的经纬纱交织点少,纱线之间束缚少㊁自由度大,织物结构疏松,导致纬向上的拉伸性能离散性大㊂2.2.3 经向和纬向拉伸性能对比图13对比了4种复合材料在经㊁纬方向上的拉伸性能㊂由图13可知,V f 归一化后,经向上的拉伸模量和强度明显低于纬向,这是由于纬纱伸直程度高于经纱,受拉时纬纱能承受较大的载荷㊂经纱由于屈曲大,不利于发挥碳纤维的力学优势,导致经向上的拉伸模量较低㊂当拉伸载荷增加时,经纱有从7浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷图12归一化处理后4种结构复合材料纬向拉伸模量和强度(V f=25%)屈曲到伸直的趋势,但是此过程会导致纱线周围的树脂受到挤压,造成剪切破坏,从而引起整个试样迅速失效,因此经向上的拉伸强度均低于纬向㊂2.3结构参数对三维机织复合材料剪切性能的影响本文对4种三维机织复合材料的剪切性能进行分析,剪切应力-应变曲线如图14所示㊂由图14可知,4种复合材料的剪切曲线相似,初始受剪时,复合材料的应力-应变曲线呈线弹性属性,剪切应力随着应变的增加呈线性增加;随着载荷的增加,应力-图134种机织结构复合材料经㊁纬向的拉伸性能对比(V f=25%)图144种机织结构复合材料剪切应力-应变曲线17第1期武维莉等:结构参数对三维机织复合材料拉伸和剪切性能的影响应变曲线进入非线性阶段,剪切应力继续增大但增长速度下降,即剪切刚度下降,直至强度达到最大后试样失效㊂复合材料施加剪切载荷时,当剪切力较小时,材料中的纱线和树脂同时受力,由于树脂模量远低于碳纤维,树脂首先发生变形㊂纱线受剪切力后由屈曲状态伸直,交织处的经纬纱逐渐锁紧,当载荷持续增大,锁结处的纱线摩擦力增大直至无法承受载荷,此时交织的纱线发生滑移㊁抽拔㊁断裂㊂树脂的断裂伸长率大,碳纤维断裂前树脂还未发生破坏,但是树脂强度远低于碳纤维,碳纤维断裂后树脂迅速破坏,最后整个复合材料试样失效[21]㊂图15显示了4种复合材料的剪切性能及离散情况㊂由图15可知,V f 相同时,浅交直联结构复合材料的剪切模量最大,接结纬接结结构复合材料的剪切模量最小,而剪切强度几乎呈相反的规律㊂浅交直联结构复合材料的结构紧密,受剪切时复合材料不易发生变形,剪切模量最大,但这导致在纱线交织处容易形成应力集中,试样失效早[22],剪切强度小㊂接结纬接结结构复合材料由于经纬纱的交织少㊁结构疏松,受剪切时结构容易发生变形,剪切模量小,但是疏松的结构不易形成应力集中,剪切失效发生晚,因此剪切强度最大㊂图15 归一化处理后4种复合材料剪切模量和强度(V f =25%)与拉伸性能相似,接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料的剪切离散值最大,尺寸稳定性最差,而浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的剪切离散性最小,这与织物结构中是纱线交织情况有关㊂接结纬接结结构复合材料和接结纬接结+衬纬纱结构复合材料中纱线交织宽度大,交织点少,纱线自由度大,受剪切时材料的失效位置具有较大的不确定性,离散度大;而浅交直联结构复合材料和层层角联锁复合材料的结构交织较为紧密㊁稳定,受剪切时离散性最小㊂3 结 论为了研究三维机织结构参数与复合材料力学性能之间的关系,本文设计制备了4种不同结构的三维机织复合材料,测试分析了复合材料的拉伸性能(经向和纬向)和剪切性能,所得主要结论如下:a)纤维体积分数㊁纱线屈曲和纱线交织程度决定了三维复合材料的拉伸和剪切性能㊂V f 相同时,纱线屈曲导致拉伸性能下降,而交织结构紧密会改善拉伸性能和离散性㊂b )经向拉伸时,4种结构复合材料的拉伸响应和曲线离散性不同,但拉伸模量和强度呈现相同的规律,大小排序为浅交直联结构复合材料㊁层层角联锁结构复合材料㊁接结纬接结结构复合材料㊁接结纬接结+衬纬纱结构复合材料㊂纬向拉伸时,4种结构复合材料的拉伸应力-应变曲线呈线弹性,且离散值小,这与纬纱屈曲小有关,同时纬向上的拉伸性能远远优于经向㊂不管是经向还是纬向上,浅交直联结构复合材料和层层角联锁结构复合材料的拉伸性能和离散性较小,而接结纬接结结构复合材料的拉伸性能最差,说明此结构不具有优势㊂c )4种复合材料的剪切应力-应变曲线呈非线性的特征㊂织物中经纬纱的交织结构决定了剪切性能及离散性,其中浅交直联复合材料的结构紧密,剪切模量最大,接结纬接结复合材料的结构疏松,剪切模量最小,而剪切强度几乎呈相反的规律㊂此研究明确了结构参数对三维机织复合材料的拉伸性能和剪切性能的影响,对三维织物的结构设计和力学性能优化有一定的指导作用,为将来三维机织复合材料的工程化应用提供借鉴和参考㊂参考文献:[1]杨彩云,李嘉禄,陈利,等.树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究[J ].航空材料学报,2006,26(5):51-55.[2]L i M R ,W a n g P,B o u s s u F ,e t a l .A r e v i e w o n t h e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f t h r e e -d i m e n s i o n a l w a r pi n t e r l o c k w o v e n f a b r i c s a s r e i n f o r c e m e n t i n c o m po s i t e s [J ].J o u r n a l o f I n d u s t r i a l T e x t i l e s ,2022,51(7):1009-1058.[3]D a h a l e M ,N e a l e G ,L u pi c i n i R ,e t a l .E f f e c t o f w e a v e p a r a m e t e r s o n t h e m e c h a n i c a l p r o pe r t i e s of 3D w o v e ng l a s s c o m p o s i t e s [J ].C o m po s i t e S t r u c t u r e s ,2019,223:27浙江理工大学学报(自然科学)2024年 第51卷。
第7章 纺织结构复合材料
纺织结构增强材料的类型
纺织结构预制件分类参数
代号 DM DR C 参数 维数 增强材料方向 纤维连续性 代号 T I M 参数 纤维束捻度 结构的整体性 加工方法
L B
增强材料线性度 每个方向纤维束大小
PD
填充密度
纺织结构增强材料的类型
复合材料用纤维结构 水平 增强系统 纺织结构 纤维长度 纤维取向 纤维纠缠
纺织结构增强材料的类型
增强材料类型
维
一维 二维
0轴
1轴
2轴
3轴
4轴
三 维 1 2
纺织结构增强材料的类型
无捻长丝纱 有捻长丝纱ຫໍສະໝຸດ 粗梳纱线精梳纱线高膨体长丝纱
粗梳毛纱
弹力长丝纱
精梳毛纱
各种纱线结构示意图
纺织结构增强材料的类型
几何 形态
单元 模型 机织物 （交织） 针织物 （成圈） 编织物 （缠织） 非织造布 （粘结）
三维整体织物
三维机织物
多重织机装置示意图
三维整体织物
三维机织物
不同结构 三维机织 物预制件
(a)：三向正交织物，各向同性比较好，是用相同层数、粗细一样的纱 线织成的织物，比较厚； (b)：经纱通过整个厚度方向的角连锁结构； (c)：经纱只通过相邻两层的角连锁结构，此织物柔软性较好。
三维整体织物
三维整体织物
三维机织物
三维机织是利用织机的梭子把纤维或纱线织成三维立体织物 的方法，主要通过多重经纱织造的方法形成，织造中由于采用多 重经纱，从而使织物厚度增加，并且沿厚度方向纱线或纤维是相 互交织在一起，即按一般概念的“层”之间是相互连接在一起的。 这就提高了织物“层”间抗剪切的能力。目前，可以织造出由17 层经纱和纬纱相互交织的立体织物。 机织三维织物的三个系统的纱线呈正交状态配置，沿X方向的 纱线为纬纱，其作用是构成水平纬纱层，同时又将Z方向的水平 经纱层隔开。沿Z方向的纱线为地经，其作用是构成水平经纱层， 同时又将X方向的水平纬纱层隔开。沿Y方向的纱线为缝经，其作 用是将相互垂直的经纬纱铺层缝接在一起。三个系统的纱线呈正 交状态构成一个整体。
三维编织复合材料制造技术—RTM工艺详解
三维编织复合材料制造技术—RTM工艺详解三维编织复合材料是利用纺织技术，通过编织形成干态预成形件，将干态预成形件作为增强体，采用树脂传递模塑工艺（RTM）或树脂膜渗透工艺（RFI），进行浸胶固化，直接形成复合材料结构。
作为一种先进的复合材料，已成为航空、航天领域的重要结构材料, 并在汽车、船舶、建筑领域及体育用品和医疗器械等方面得到了广泛应用。
传统复合材料经典层合板理论已无法满足其力学性能分析，国内外学者建立了新的理论和分析方法。
三维编织复合材料是仿织复合材料之一，是由采用编织技术织造的纤维编织物（又称三维预成形件）所增强的复合材料，其具有高的比强度、比模量、高的损伤容限和断裂韧性、耐冲击、抗开裂和疲劳等优异特点。
三维编织复合材料的发展是因为单向或二向增强材料所制得的复合材料层间剪切强度低、抗冲击性能差、不能用作主承力件，L.R.Sanders于1977年把三维编织技术引入工程应用中。
所谓3D编织技术是通过长短纤维在空间按一定的规律排列，相互交织而获得的三维无缝合的完整结构，使复合材料不再存在层间问题，且抗损伤能力大大提高。
其工艺特点是能制造出各种规则形状及异形实心体，并可使结构件具有多功能性，即编织多层整体构件。
目前三维编织的方式大约有20多种，但常用的有4种，分别是极线编织（polar braiding）、斜线编织（diagonalbraiding or packing braiding）、正交线编织（orthogonal braiding）和绕锁线编织（warp interlock braiding）。
三维编织中又有多种型式，例如二步法三维编织、四步法三维编织、多步法三维编织。
树脂传递模塑法发展史三维编织复合材料成型工艺主要有树脂传递模塑法（RTM，Resin Transfer Molding），它是将液态树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法，是近年来发展迅速地适宜多品种、中批量、高质量先进复合材料制品生产的成型工艺，它是一种接近最终形状部件的生产方法，基本无需后续加工。
三维四向编织复合材料细观组织及分析模型
第16卷1999年 第3期8月复 合 材 料 学 报ACT A M AT ERIA E COM PO SIT A E SIN ICA V ol.16 No.3A ug ust 1999 收修改稿、初稿日期:1999-03-03,1998-06-24三维四向编织复合材料细观组织及分析模型庞宝君 杜善义 韩杰才(哈尔滨工业大学航天工程与力学系,哈尔滨150001)摘 要 以四向编织复合材料为对象,对所建立的单胞组织模型进行了细观组织的实验验证,所得结果与理论分析结果吻合较好。
证实了所建模型的正确性,成为三维多向编织复合材料性能分析与材料优化设计的基础。
关键词 编织复合材料,分析模型,细观组织,实验中图分类号 T B 330.1,T B 33 三维编织物结构上所具有的优点,使三维编织复合材料结构与性能具有显著的优势,整体性显著地提高了强度和刚度,具有优良的抗损坏性及良好的力学性能和耐烧蚀性能[1]。
三维编织复合材料已经在航天、航空等高科技行业得到了广泛的应用[2]。
编织复合材料具有显著的性能可设计性。
组分材料的性能、制造工艺决定了复合材料的性能。
同时,编织复合材料的材料单胞在力学上具有显著的结构特性,因此织物组织结构参数即编织参数也将影响编织复合材料的性能。
为了进行材料的优化设计,需要掌握编织复合材料内细观组织特性,即材料单胞内纤维束与基体在空间上的几何分布规律。
Cho u 等[3～4]将编织复合材料单胞看成由四个倾斜的单向复合材料层板组成,建立了倾斜板模型。
吴德隆等[5]研究了五向编织复合材料的分析模型,土方、福多等[6～9]对三维多向编织复合材料的材料模型在几何上作了探讨。
肖丽华与李嘉禄对三维编织工艺及编织复合材料进行了研究[10～11]。
柴雅凌对三维编织预制件中纱线结构进行了拓扑学研究[12]。
本文以矩形截面的碳/环氧四向编织复合材料试件为对象,为验证所建模型的正确性,进行了材料内部显微组织的观察实验,实验结果与所建立的四向编织复合材料单胞几何模型的理论分析结果吻合较好。
三维机织玄武岩纤维复合材料的制备及力学性能研究
三维机织玄武岩纤维复合材料的制备及力学性能研究发布时间：2021-04-22T10:55:09.113Z 来源：《建筑实践》2020年12月34期作者：蒲桃红马静月[导读] 三维机织复合材料属于三维纺织结构复合材料的其中一种类别，蒲桃红马静月广安职业技术学院，638000 ? 四川省广安市摘要：三维机织复合材料属于三维纺织结构复合材料的其中一种类别，且其尺寸稳定性好，能够形成较高的纱线堆积密度，增强材料厚度方向的力学性能。
而玄武岩纤维则是高性能的纤维，环保且拉伸强度高，吸水性能低，被称为21世纪高技术纤维[1]。
本文以玄武岩长丝为经、纬纱，经过合理设计，织造正交结构，贯穿联锁结构的三维机织物，制备不同结构的三维机织玄武岩纤维复合材料。
通过对材料的拉伸、弯曲性能做测试，分析两种结构复合材料的力学性能。
关键字：三维机织；玄武岩纤维；复合材料；力学性能一、绪论玄武岩纤维在我国被认为继碳纤维、芳纶与高相对分子质量聚乙烯之外的第四种高技术纤维。
传统纤维增强复合材料多是单层纤维布压制而成，材料层间剪切强度低，在反复冲击下易裂，若采用缝编方法提高其强度，易刺伤纤维和影响材料的力学性能[2]。
三维纺织复合材料是一种先进的结构复合材料，在厚度方向存在交织纤维束，整体受力性能好。
三维机织复合材料的力学与物理性能使其成为一种重要的结构材料，也吸引着国内外的大量学者对其进行科学研究。
在力学性能研究方向上有代表性的Tan[3]等研究三维正交机织碳纤维复合材料经纬方向准静态拉伸模量，泊松比等。
本文通过合理设计，选取正交结构和贯穿联锁结构两种不同结构的三维机织玄武岩纤维复合材料为研究对象，测试它们经纬向拉伸和弯曲性能。
二、三维机织玄武岩纤维织物的设计与织造本文设计的两种织物组织均可在普通小样织机上完成织造，操作比较简单，成本低，无需专门的三维织机。
（一）研究原材料与设备的选取玄武岩纤维是以天然玄武岩纤维矿石作为原材料，将其先破碎再通过千摄氏度的高温熔炉进行熔融，然后由铂铑合金拉丝漏板抽丝而成[4]。
三维四向编织复合材料疲劳性能分析
三维四向编织复合材料疲劳性能分析冯继强;王新峰;刘海;于健【摘要】建立基于八边形纤维束截面假设的三维四向编织复合材料单胞模型.基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型.利用ABAQUS有限元软件 UMAT 开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了三维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命.研究表明,疲劳损伤是从纤维束之间的接触面的单元开始发生损伤破坏,然后向纤维束表面以及纤维束内部开始扩散,并且损伤扩展速率随着应力水平的提高而加快.本文研究为预测三维四向编织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径.%The unit cell model of three-dimensional and four-directional braided composites with an octag-onal fiber cross section is established.Based on the fatigue residual stiffness and strength model of uni-directional composites,the fatigue life prediction model of three-dimensional and four-directional braided composites is created by combining the fatigue failure criteria and performance damping method of com-ponent materials.The fatigue life prediction and progressive damage analysis program is developed by using ABAQUS finite element software UMAT to simulate the fatigue life and damage propagation process of three-dimensional and four-directional braided composites under fatigue loading.The results show that fatigue damage starts from the elements of contact area between the fiber bundles,and then it spreads to the surface and interior of fiber bundles.Moreover,the damage propagation accelerates with the increase of stress level.This is a new way for predictingthe fatigue life of three-dimensional and four-directional braided composites.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2018(050)001【总页数】8页(P45-52)【关键词】编织复合材料;单胞;疲劳寿命;刚度退化;Hashin准则【作者】冯继强;王新峰;刘海;于健【作者单位】南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室,南京,210016;南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室,南京,210016;中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司,成都,610092;南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TB332随着航空航天领域以及军工领域向轻质高强方向发展，纤维增强复合材料逐渐受到重视并得到广泛应用。
航空发动机叶片用大尺寸复杂结构三维机织复合材料预制体的制备与应用方案(一)
航空发动机叶片用大尺寸复杂结构三维机织复合材料预制体的制备与应用方案一、背景随着航空工业的持续发展，对航空发动机的性能要求日益提高。
作为发动机的关键部件，叶片的品质和性能直接影响到整个发动机的性能。
传统上，航空发动机叶片采用金属材料制造，但随着复合材料的快速发展，其逐渐成为航空发动机叶片的首选材料。
大尺寸复杂结构三维机织复合材料预制体作为其中的一种，因其优异的力学性能和轻量化特性，受到业界的广泛关注。
二、工作原理大尺寸复杂结构三维机织复合材料预制体的制备主要依赖于先进的纺织技术和复合材料成型工艺。
首先，使用特制的织机，将玻璃纤维、碳纤维等高性能纤维按照特定的三维编织结构进行编织。
编织过程中，纤维的取向和分布可以精确控制，以形成满足设计要求的三维结构。
然后，将编织好的三维结构进行热压成型，过程中施加高温高压，使得纤维与树脂充分渗透，形成高强度、高刚度的复合材料。
最后，将得到的复合材料进行进一步的加工和修饰，以满足航空发动机叶片的特定需求。
三、实施计划步骤1.材料准备：选择适当的玻璃纤维、碳纤维以及其他增强纤维，同时选择合适的树脂作为基体。
2.织机准备：根据设计要求，调整织机的参数，确保编织过程中纤维的取向和分布可以精确控制。
3.编织：将纤维按照设计的三维结构进行编织，形成预制体。
4.热压成型：将编织好的预制体进行热压成型，过程中施加高温高压，使得纤维与树脂充分渗透。
5.加工和修饰：将得到的复合材料进行进一步的加工和修饰，以满足航空发动机叶片的特定需求。
6.性能测试：对制备好的航空发动机叶片进行性能测试，包括力学性能、热稳定性、耐腐蚀性等。
四、适用范围此制备方法主要适用于航空发动机叶片的制造，也可应用于其他需要大尺寸复杂结构复合材料的领域，如汽车、船舶等。
五、创新要点1.三维编织技术：通过先进的纺织技术，实现纤维的三维编织，形成满足设计要求的三维结构。
2.热压成型工艺：采用高温高压的工艺条件，使得纤维与树脂充分渗透，提高复合材料的性能。
三维五向及全五向编织复合材料的三单胞结构模型_张超
材料层间强度低 、 易 分 层 的 致 命 弱 点； 且具有抗冲 击、 抗 损 伤、 耐 磨 损、 缺 口 欠 敏 感、 近净截面设计制
第 ２ 期
张 超， 等： 三维五向及全五向编织复合材料的三单胞结构模型
１ ７ １
造等诸多层合复合材料不具备的优点 ， 在以航空航 天为代表的高新技 术 领 域 具 有 十 分 广 阔 的 应 用 前 景。 三维四向编织复合材料显著改善了材料厚度 方向的力学性能 ， 但同时其面内力学性能也有明显 下降 。 为了强化 编 织 成 形 方 向 材 料 的 面 内 力 学 性 能， 研究发展了三维五向编织复合材料 。 三维五向 织造 编织复合材料是以三维四向编织工艺为基础 ， 过程中在各行编织 纱 中 间 沿 轴 向 加 入 了 不 参 与 编 织的第五向纱 （ 称为轴向纱） 而形成的一种新的整 体编织结构材料 。 由于轴向纱的引入 ， 提高了材料 的轴向力学性能 ， 为编织结构材料作为主承力构件 提供了基础 。 但 现 有 的 三 维 五 向 编 织 结 构 中 存 在 限制了其轴向力学性能的 较多无轴纱占据的空位 ， ］ 进一步提升 。 文献 ［ 提出了三维全五向编织结构 １ 通过在三维五向编织预成形件的所有空位 的概念 ， 处增加轴向不动 纱 ， 以 消 除 轴 向 空 位， 提高材料的 纤维体积含量 。 制 成 的 三 维 全 五 向 编 织 复 合 材 料 能够有效地弥补三维四向 、 五向编织材料轴向力学 性能的不足 。 目前 ， 关于三维五向编织复合材料的研究已经 取得了一定的研 究 成 果 ， 包 括 几 何 模 型、 内胞实体 模型 的 建 立 性能的分析
三维五向及全五向编织复合材料的三单胞结构模型
张 超 许希武 严 雪
（ ） 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 ， 南京 ， ２ １ ０ ０ １ ６ 摘要 ： 针 对 三维五 向 及 全 五 向 编织复合材料 ， 基 于 四步 法 编织工艺携纱器 的运 动规律 ， 研究了 各 单 胞 区 域 纱 线 的 运 动轨迹 和 空 间走 向 ， 给 出了 材料内胞 、 面胞 和角 胞 的 纱 线 拓 扑 结 构 。 通 过 给 定 一 系 列 的 位 置 节 点 和 节 点 间 线 性 插 值 函 数的方法 来描述纱线 空 间轨迹 。 考虑纱线间 的 相互挤压 状 况 ， 在 假设编织纱 和 轴纱 横 截 面 形 状 分 别 为 扁 平 椭圆 形 和 正 方 形 的 基础上 ， 系 统 建 立了 三维五 向 及 全 五 向 编织复合材料 的 三 单 胞参 数 化 结 构 模 型 。 给 出 了 两种编织材料 的 纤维体积含 量 计 算 公式并 进行了对 比 分 析 ， 明确了三维全五向 编 织 复 合 材 料 的 轴 向 性 能 优 势。 分析了 三维五 向 编织材料 的表 面多胞 结 构 及 三维 全 五 向 编 织 材 料 的 内 胞 截 面 图 ， 并 与 实 际 试 件 结 构 进 行 对 比， 结果表 明 本 文 所 建 模型合理准确 。 关键词 ： 三维五 向 ； 三维 全 五 向 ； 编织复合材料 ； 三单胞； 结 构模型 ； 参数化 （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ５ ２ ６ １ ５ ２ ０ １ ３ ０ ２ ０ １ ７ ０ ０ ９ － － －
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。
三维机织正交结构复合材料的参数化设计
三维机织正交结构复合材料的参数化设计冯兆行;田伟;马雷雷;刘鹏;祝成炎【摘要】为对三维机织正交结构复合材料的力学模拟分析提供一种模型,通过观察3层机织正交结构复合材料预制件的细观几何结构,分析其最小重复单元中纱线间的几何位置关系,探讨细观结构中几何参数与宏观设计参数的关系.在此基础上,利用Pro/Engineer软件对复合材料预制件进行参数化设计,建立三维机织正交结构预制件的通用几何模型.通过对比三维机织正交结构复合材料的实际结构与模型结构以及纤维体积分数,验证了该模型的合理性.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2010(031)012【总页数】5页(P59-63)【关键词】正交结构;参数;模型;复合材料【作者】冯兆行;田伟;马雷雷;刘鹏;祝成炎【作者单位】浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018【正文语种】中文【中图分类】TB332三维机织复合材料是将纤维预制件作为增强体的复合材料。
它是靠接结经纱在织物的厚度方向将若干层重叠排列的经纬纱接合起来，使之成为整体性能良好的三维结构织物［1］。
随着复合材料的广泛应用，对三维机织复合材料的研究越来越重视。
然而，三维机织复合材料的制作是一个繁琐的过程，大大影响了其研发周期。
利用有限元对复合材料进行模拟实验，可科学地预测实验结果，指导复合材料的深入研究。
三维机织复合材料的细观结构直接影响其宏观性能，因此客观地刻画其细观几何结构成为有限元分析的关键［2］。
在有限元软件中直接建立合理准确地模型比较困难，首先要在CAD软件中建立细观的几何模型，然后将模型与有限元分析相互结合，从而达到优势互补、资源共享的目的［3］。
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纺织结构复合材料三维模型设计Design3D Models of Textile St ruct ural Composites杨朝坤,朱建勋,张建钟,徐正亚,胡方田(中材科技股份有限公司南京210012)YAN G Chao2kun,ZHU Jian2xun,ZHAN G Jian2zhong,XU Zheng2ya,HU Fang2tian(Sinoma Science&Technology Co.Lt d.,Nanjing210012,China)摘要:根据纺织复合材料结构和工艺的特点,考虑到空间纤维束的相互纽结和紧密挤压而造成的纤维束的弯曲和截面变形,建立了机织和编织三维实体几何模型和工艺过程的动画模拟。
所建模型与通过切片制作、数据采集和处理的图像进行比较并修正,取得了较为合理的纤维束中心线拟合效果。
为纺织结构复合材料的有效弹性性能预报和R TM工艺模拟仿真奠定了模型基础。
关键词:纺织结构复合材料;三维模型;纤维束;图像处理文献标识码:A 文章编号:100124381(2007)Suppl20207205Abstract:The t hree2dimension Woven and braided geomet rical model and t he animating simulation of t he craft process is p ropo sed based on t he characteristics of t he textile st ruct ural composites and craft. t he state of intertwisted and tightly squeezing yarns in model is taken into account which result s in yarns curving and deforming.Wit h comparing t he established model and images which obtaining f rom slice2making and data acquisition and image processing,reasonable fitting curves of yarn center line are achieved.The investigation offers a f undamental support to predict effective elastic properties and R TM simulating work.K ey w ords:textile st ruct ural compo sites;t hree2dimension model;fibre tow;image p rocessing 在先进航空材料中,纺织结构复合材料占有重要的一席之地。
纺织结构复合材料是用于结构或承载的包含纺织物的刚性材料。
随着三维纺织预形体(t hree -dimensional textile p reforms)技术的快速发展,逐渐形成了3D机织(t hree2dimensional weaving)、3D编织(braiding)、穿刺(stitching)和针织(knitting)为主的复合材料增强织物产业。
采用纺织结构复合材料具有以下优点:(1)净尺寸贴模仿形,如各种叶片、起落架、雷达罩等;(2)纤维分布的细观结构和复合材料力学性能可以根据用途要求进行设计;(3)减重和提高刚/强度。
随着R TM(resin t ransfer moulding)工艺模拟仿真技术的迅速发展,提出了在等温和非等温条件下的三维仿真模型的要求,迫切需要3D纺织结构模型作基础模型,为准确计算渗透率提供依据。
纺织结构复合材料的力学性能主要由纺织预形体的细观结构参数所决定,这些参数包括:纤维分布方向角、纤维体积含量、纤维束体积含量、纤维束截面形状及其形心迹线规律等。
Xuekun Sun[1,2]建立了剔除物理意义的数字单元,该模型更有利于描述纤维束的弯曲路径;王君泽[3]在三维编织计算机仿真方面作了研究,利用计算机三维动画技术3DSMAX,动态模拟出来各种结构的编织物以及不同工艺的编织过程;张小萍和王君泽[4]利用虚拟现实构造语言(V RML)结合VB语言构建的三维编织仿真设计系统可在虚拟环境中实现自由缩放、移动、旋转织物模型功能,清除展现编织纤维束的运动过程。
本研究根据纺织复合材料结构和工艺的特点,考虑到空间纤维束的相互纽结和紧密挤压而造成的纤维束的弯曲和截面变形,建立了机织和编织三维实体几何模型和工艺过程的动画模拟,所建模型与通过切片制作、数据采集和处理的图像进行比较并修正,取得了较为合理的纤维束中心线拟合效果。
为纺织结构复合材料的有效弹性性能预报和R TM工艺模拟仿真奠定了模型基础。
1 纺织结构三维模型的设计工程中一般要求三维织物的纤维体积含量尽量高,因此,纤维束在织物中呈紧密接触状态,而多数情况下的纤维束又呈弯曲紧密接触状态,这就为模型建立带来了一定的困难。
利用三维设计技术模拟出纤维束的截面和形心迹线,通过拟合使其更接近试验观测的真实状态,纤维束的紧密接触问题也解决的较好。
纺织结构复合材料三维模型设计主要包括三个步骤:(1)3D 模型设计;(2)工艺模拟;(3)有限元分析。
模型建立和工艺模拟是为准确预报复合材料的有效弹性性能和工艺参数优化作准备的。
1.1 三维模型设计三维数字模型设计是指采用试验的或数字的方法,对产品的实际状态进行描述并获得数字模型。
这种模型除了提供精确的几何形状外,还包括了诸如重量、材料需求量、价格、计划和人员资源配备要求之类的特性。
这种数字模型应是向织造厂传递织物设计信息的主要手段,也可促进各部门之间的统一交流与协调。
在交货时,这种“建造的”三维产品模型可为复合材料部件在使用期内进行生命力分析、姿态控制、状态维护和后勤保障管理提供依据。
具有各向异性特征的纤维束在3D 织物模型中始终存在着紧密堆砌问题。
为避免织物中出现缺陷,保证纤维束在细观结构中的均匀分布,工程中一般要求织物中纤维束的堆砌要紧密且均匀一致。
以圆形或椭圆形截面纤维束作三维实体模型模拟,如图1和图2所示。
图1 以圆形截面纤维束作三维实体模型模拟Fig.1 Circular section of yarns in simulatingmodel图2 以椭圆形截面纤维束作三维实体模型模拟Fig.2 Elliptical cross section of yarns in simulating model1.2 工艺模拟根据纤维束的运动规律或运动循环,考虑到纤维束在x -y -z 坐标内的分解运动轨迹,可确定每根纤维束在空间的位置和形状的对应关系。
根据不同的纺织工艺类型并输入相应的结构参数,即可生成所需的模拟工艺,并实现纤维束实体模型的动画演示功能。
如图3和图4所示。
图3 三维编织全貌演示图Fig 13 Overall view of 3D braiding animatingsimulation图4 三维编制工艺演示底盘携纱器运动演示图Fig 14 Simulating carriers running rules onbase frame of 3D braiding1.3 有限元分析在模型中,可将复合材料看作是由两种材料组成,一种为树脂基体,另一种为纤维与树脂的混合体。
设基体为各向同性材料;对于纤维束而言,在局部坐标系下,将其看成是横观各向同性的,纤维沿纵向被看作是随着纤维束中心线取向角的变化而变化的各向异性材料。
然后根据有限元法离散性的特点,得出不同位置离散单元的质心点坐标以及沿纤维束中心线方程f (x ,y ,z )的取向角,再将局部坐标系下的弹性常数转换到整体坐标系下。
在模型的不同面上连续施加一定的应变量,在其余各面上施加相应的位移约束,同时将纤维束与基体接触面上的节点耦合,然后可根据有限元软件计算出相应面上的节点支反力,再由以下公式计算出该方向上的弹性常数,即E ij =1Αεi ∑F ni(1)其中,i 为施加在第i 方向上的节点应变量;F i 为该方向上节点的支反力;A 为施加应变面的面积;n 为第i 面上节点的数量。
可见,在三维纺织实体模型中,纤维束中心线曲线方程f (x ,y ,z )的确定是计算的关键。
本研究采用试样切片制作结合图像处理法,可拟合出较合理的纤维束中心线曲线方程。
2 纤维束形态提取与图像处理2.1 试样切片制作通过制作复合材料切片的方法来提取纤维束形态数据。
以T300碳纤维(3K ),B 型石英纤维(190Tex )采用5种不同股数纤维织造试样各5件,分三维编织与三维机织两种,先进行切片制作,然后对各种试件的各个切面进行拍照,取得切面的数字照片,建立立体织物图片数据库。
拍照前,先用150目的水磨砂纸对切割面进行轻微的抛光以提高照片质量。
切面的湿度对碳纤维为主体试件照片质量有较大影响,必须待其完全干燥后再进行拍照才能取得质量较好的照片,否则照出的照片基本很难分辨清楚示迹纱的位置。
织物内纤维束的走向与截面形状,部分照片如图5所示。
图5 部分纺织复合材料切片局部照片Fig.5 Some slices photos of textile structural composites2.2 图像处理为使所拍照片更能精确的反应出现实的织物纤维束走向与截面形状,使用Visual C ++编写了一套专用图形处理软件,用以完成从照片中的数据采集到构建示迹纱空间构型的全过程,软件界面如图6所示。
该软件上方为标题栏、菜单和工具栏,左边为操作面板区,中间主体部分是图形工作区。
图形工作区又分为四个部分,左上部分图片处理区,用于示迹纱的图像采集;右上部分曲线拟合区,用于将处理所得的示迹线截面轮廓线点阵根据用户所选取的边界点构造封闭多边形,然后采用B 样条曲线拟合出光滑的示迹纱截面的轮廓线,同时给出截面的高度、宽度、面积和截面形心坐标;左下部分为纤维束显示区,根据各个切片层拟合出的示迹纱轮廓的样条曲线和各切片层的纵深坐图6 图像处理软件界面Fig.6 Interface of image processing software 标插值出示迹纱在空间的三维构型。
右下部分为仿真演示区,用于纤维束结构的仿真演示。
图7和图8分别为三维机织和三维编织部分切片照片经过图象处理后的拟合结果。
可以看出在三维机织物中的经纱呈现出明显的周期性波动,且每一个周期的波动比较均匀,纬纱比较平直,波动很小。
三维编织内部单胞的拟合结果近似于直线,表面单胞部分纤维束存在明显的弯曲,并有一定程度的扭转。