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
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ １ ０ ～ １ ６ ；修 回 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ２ — １ ９
力 学 性 能 的 诸 多 因素 。 研 究 发 现 ，机 织 复 合材 料 的 性 能 与 多 种 因素 有 关 ， 同 时也 对 三 维机 织复 合 材 料 今 后 的 发 展 提 出 了一 些 看 法 。 关 键 词 ： 机 织 复 合 材 料 ；力 学 性 能 ； 影 响 因素 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
１ ． １ 几 何 形 状 对 材 料 性 能 的 影 响
般较大。 Ｖａ ｎ ｄ ｅ ｕ ｒ ｚ ｅ ｎ Ｐ等［ ５ 提 出 了将 纱 线 横 截 面 用 双 凸
２ ． ２ 纱线 的横截 面形状 对材料 性 能的影 响
三维 机织 物成 形 能 力 比较 强 ， 能够 成 形 比较 复 杂 的零 件 ， 如 变厚 度实 心 板 、 中孔结 构箱 式梁 、 工字 梁 等 ， 而且操 作 程序 简单 ， 成 本 小 。整 体 复合 材 料 可 以从 根 本 上解 决 层 间开裂 问题 ， 减 小缺 口的敏 感性 ， 使 材料能
三 维机 织 复合 材 料 力 学 性 能研 究
高旭 东 ，马 贵春 ，姚
（ 中北大学，山西 太原
君
０ ３ ０ ０ ５ １ ）
摘 要 ：综述 了三 维 机 织 复 合 材 料 力 学 性 能 的研 究 和 进 展 ， 从 宏 观 到 细 观 模 型上 分 析 了影 响 三 维机 织 复 合 材 料
第 ２期 （ 总第 １ ７ ７期 ）
２ ０ １ ３年 ４月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥ ＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴ（ ） Ｍ ＡＴＩ （ ） Ｎ
ＮＯ． ２ Ａ ｐｒ ．
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ６ ４ １ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ２ ２ ０ — ０ ２
交 的结 构 模 型 ， 建 立 了如 图 ２所 示 的 力 学 模 型 （ 图 ２ 中， ｎ 、 ｂ分别 为 椭 圆 的长 轴 和 短 轴 半 径 ， Ｌ 为 经线 的 直 线段 长度 ， 为 经线 的倾 角 ， ｑ 、 分 别 为相 邻 纬 线 的 横 向和 纵 向距离 ， 为经 线直 线段 的半 径） 。
够承受 更 大 的载荷 。
透镜 形 状来 描述 ， 如 图 １所示 （ 图 １中 ， ｗ Ｒ 分 别 为
纱线 截 面 的宽度 、 厚 度 和 凸圆 的半 径 ） 。在 国 内 ， 北 京
航 空航 天大 学 的燕 瑛 、 成传贤［ ６ 延 续 了双 凸形 截 面假 设， 对三 维机 织 复合 材料进 行 了细观 结构分 析 。 周 光 明等［ ７ 提 出纱 线 截 面 为椭 圆形 的假 设 ， 假 设 纱线 的截 面 形 状 保 持 不 变 ， 经、 纬 纱 线 束 的变 形 率 一
卢 子兴 等 分 析 了编 织 角 的 大 小 对 材 料 性 能 的影 响， 他指 出编织角 的大小 与刚度 和强 度成反 比关 系 ， 在 相 同 的纤维 体积 含 量下 ， 编织 角大 的 复合 材 料 泊 松 比
一
对 材 料力 学性 能 的影 响是工 作 的核心 。
１ 三维机 织 复合材 料 宏观 结构 及对材 料 性能的 影响
０ 引 言
的剪切 强度 、 抗 冲击 性能也 随之 提高 ，但材料 面 内的性
层合 板 复合材 料 由于在 厚度 方 向上是层 合结 构导
致材 料有 一 些 不 足 ： 易分层 ， 刚度、 强度低 ， 剪 切 强 度 低， 冲击 韧 性 和 抗 损 容 限 都 很 差 Ｌ １ ］ 。在 各 向受 力 均 匀 的情况 下 ， 使 用 三 维机 织 复 合 材料 能 够 有 效 克 服层 合板 材料 在 厚度 方 向上 的分层情 况 。 三维 机织 复合 材料 在航 空航 天领 域 的应 用 比较广