三维机织复合材料力学性能分析与研究
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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
ｇｌ ｓ ａ ｓ
假 设进行 了对 比性研 究 ，进 一步讨论 了纤维束截 面
形状对三 维机织 复合材料力学性 能的影 响。
等，结合其他几何关系更可 以得 出：
Ｃ Ｓ ＝（ — ２ ／ Ｏ ０ ｒ ｄ／） ｒ （） １
本文 设计 了三 维机织预 制件 ，采用 椭 圆形 纤维 束截面假 设 ，建立 了三维机织 复合材料 几何细 观结 构和力 学模 型 ，分 析 了三维 机织复合 材料 的力学性
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 Hale Waihona Puke Baidu 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
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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
织复合材料 的力学性 能受到 了学者们 的普遍关注 。 近年来 ，针对三 维机织 复合材料 的研究方 法主 要是 从纤维束 的截面假 设 出发根据细观 结构与 织造 参数确 定几何 模型 ，计算 出单胞模型 内各种纱 线 的 长度 与横截面 积并求 得单胞模 型 的纤 维体积含 量 ， 运用 体积平均 的方法 组集 总刚度矩 阵，进而获 得机 织 复合材料 的工程 弹性 常数 。如 燕瑛等 采用 双 凸
（ ｉ ｍａＳ ｉｎ ｅ＆Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｏＬｄ ａ ｊ ｇ ２ １ ） Ｓｎ ｏ ｃｅ ｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙＣ ． ，Ｎ ｎｉ １ ０ ｔ ｎ ０ ２
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能并与 实验 结果进 行 了对 比 ，验证其 力学模 型的正
确性。
又根据沿Ｘ 方 向两纬纱之 间的距离Ｗ 间 的 ，ｚ ，Ｐ
关系可 以得 到：
Ｗ ＝ ＋２ ｓｎ ｒ ｉ Ｏ＋Ｐｃ ｔ ／ ｏ Ｏ ｏ Ｏ＋ ｃ ｓ （） ２
根 据纬纱截 面积 可得 ：
去 ｓ Ｏｏ ）日＝ （一ｉ ｃｓ ＋ｂ ｎ
性 能的影 响 ；丁辛 、易 洪雷等 采用跑 道形纤 维束
截面假 设讨 论 了接 结组织对 纤维体积分 数和取 向角
的影 响 ；最近 ，杨彩 云等 对 各种不 同纤维束截 面
《玻璃 纤 维 》２ １ 年 第 ３ ０１ 期 １ ３
应 开 Ｆｉ 用 发 ｂ ｅ
黄学峰 ， 三维机 织复合材料 力争 ｝能分析与研究 等： 生
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其 中：
（ ３ ）
１ 三维机 织复合材料 的力学模型
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
ｇｌ ｓ ａ ｓ
假 设进行 了对 比性研 究 ，进 一步讨论 了纤维束截 面
形状对三 维机织 复合材料力学性 能的影 响。
等，结合其他几何关系更可 以得 出：
Ｃ Ｓ ＝（ — ２ ／ Ｏ ０ ｒ ｄ／） ｒ （） １
本文 设计 了三 维机织预 制件 ，采用 椭 圆形 纤维 束截面假 设 ，建立 了三维机织 复合材料 几何细 观结 构和力 学模 型 ，分 析 了三维 机织复合 材料 的力学性
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０ Hale Waihona Puke Baidu 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
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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
织复合材料 的力学性 能受到 了学者们 的普遍关注 。 近年来 ，针对三 维机织 复合材料 的研究方 法主 要是 从纤维束 的截面假 设 出发根据细观 结构与 织造 参数确 定几何 模型 ，计算 出单胞模型 内各种纱 线 的 长度 与横截面 积并求 得单胞模 型 的纤 维体积含 量 ， 运用 体积平均 的方法 组集 总刚度矩 阵，进而获 得机 织 复合材料 的工程 弹性 常数 。如 燕瑛等 采用 双 凸
（ ｉ ｍａＳ ｉｎ ｅ＆Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｏＬｄ ａ ｊ ｇ ２ １ ） Ｓｎ ｏ ｃｅ ｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙＣ ． ，Ｎ ｎｉ １ ０ ｔ ｎ ０ ２
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确性。
又根据沿Ｘ 方 向两纬纱之 间的距离Ｗ 间 的 ，ｚ ，Ｐ
关系可 以得 到：
Ｗ ＝ ＋２ ｓｎ ｒ ｉ Ｏ＋Ｐｃ ｔ ／ ｏ Ｏ ｏ Ｏ＋ ｃ ｓ （） ２
根 据纬纱截 面积 可得 ：
去 ｓ Ｏｏ ）日＝ （一ｉ ｃｓ ＋ｂ ｎ
性 能的影 响 ；丁辛 、易 洪雷等 采用跑 道形纤 维束
截面假 设讨 论 了接 结组织对 纤维体积分 数和取 向角
的影 响 ；最近 ，杨彩 云等 对 各种不 同纤维束截 面
《玻璃 纤 维 》２ １ 年 第 ３ ０１ 期 １ ３
应 开 Ｆｉ 用 发 ｂ ｅ
黄学峰 ， 三维机 织复合材料 力争 ｝能分析与研究 等： 生
Ａｎ ｌ ｉ ｎ Ｍ ｅ ｈａ ｉａ ｏ ｒｉ ｓｏ Ｄ ｏ ｎ Ｃｏ ｐｏ ｉｅ ａｙｓｓｏ ｃ ｎ ｃ ｌＰｒ ｐｅｔｅ ｆ３ Ｗ ｖｅ ｍ ｓｔ ｓ
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其 中：
（ ３ ）
１ 三维机 织复合材料 的力学模型