三维机织复合材料力学性能研究进展

发布时间：2021-03-19 16:15

　　三维机织复合材料具有结构可设计性强、复杂构件整体近净成型、冲击损伤容限高等优点,成为航空航天领域新材料研制关注的重点。近年来,三维机织复合材料的结构设计、细观建模、性能分析等得到了快速的发展,并取得了实质性成果。多轴向机织结构的开发,精细化建模研究,自动化连续生产是三维机织复合材料的发展趋势。本文介绍了典型的三维机织预制体的结构特点,对比分析了不同预制体结构的三维机织复合材料的准静态力学性能,回顾了三维机织复合材料的细观结构建模、理论分析和数值模拟等方面的研究进展,列举了三维机织复合材料在航空航天领域的典型应用,为三维机织复合材料应用研究提供参考。 

【文章来源】：材料工程. 2020,48(08)北大核心

【文章页数】：11 页

【部分图文】：

三维机织复合材料剪切失效形式[15,25](a)和应变分布(b)

理想几何实体模型是建立在恒定的纱线横截面形状假设基础上获得的织物细观结构理想模型,如图6所示。纱线的横截面形状假设为椭圆形、矩形、跑道形等,且不受纱线相互挤压、压实等影响,截面形状保持不变。该模型纱线间空隙较大,仅适合于低纤维体积含量的织物预制体的建模。当纤维体积含量较高时,结构内部纱线产生挤压,由于该模型忽略了纱线挤压变形,就会出现相邻纱线相互嵌套交叉现象,无法满足性能分析需要。Isart等[26-27]提出了一种新的解析几何模型,考虑了纱线压实和屈曲对正交三向机织复合材料中衬经纱和接结经纱的截面和分布的影响。该模型采用正弦函数表示由于接结经纱挤压作用造成的纬纱和衬经纱在长度方向上的弯曲形态,并通过特定截面的显微图像,结合结构参数和几何测量,获得预制件内部各纱线的几何形状,如图7所示。该模型描述三维机织复合材料内部纱线的准真实几何形态,与有限元分析相结合预测复合材料的弹性性能,获得了较好的效果。

Isart等[26-27]提出了一种新的解析几何模型,考虑了纱线压实和屈曲对正交三向机织复合材料中衬经纱和接结经纱的截面和分布的影响。该模型采用正弦函数表示由于接结经纱挤压作用造成的纬纱和衬经纱在长度方向上的弯曲形态,并通过特定截面的显微图像,结合结构参数和几何测量,获得预制件内部各纱线的几何形状,如图7所示。该模型描述三维机织复合材料内部纱线的准真实几何形态,与有限元分析相结合预测复合材料的弹性性能,获得了较好的效果。将纤维假设为由一维微小的首尾连续的杆单元或梁单元组成的虚拟纤维,若干根虚拟纤维组成虚拟纱线,虚拟纱线按交织规律组成松散的三维机织结构,通过施加纱线张力模拟预制体的成型过程,松散的三维机织结构变形得到接近真实织物结构的数字单元模型,如图8所示[27]。当采用梁单元建模时,由于虚拟纤维的截面比真实纤维的截面大得多,获得的虚拟纱线有过高的抗弯刚度,因此采用弹塑性材料模型或自定义梁单元来降低纱线的弯曲刚度[28-29]。Wang等[30-32]提出采用销钉连接的杆单元柔性链对纤维进行建模,当杆单元长度接近于零时,虚拟纤维接近完全柔性。Green等[29]采用梁单元建立了正交三向织物预制体的数字单元模型,模拟了织物的压实过程,通过与微型计算机断层扫描(Micro-CT)重构的织物压实形态对比,模拟结果与实验观测具有较好的一致性,如图9所示。

【参考文献】：
期刊论文
[1]三维纺织增强材料及其在航空航天领域的应用[J]. 陈利,赵世博,王心淼.  纺织导报. 2018(S1)
[2]z向纱对三维正交复合材料层间剪切性能影响[J]. 孙绯,陈利,孙颖,张倩倩,张典堂,黄健.  固体火箭技术. 2015(01)
[3]多层多向织物复合材料力学性能分析[J]. 张一帆,马明,陈利.  宇航材料工艺. 2013(02)
[4]2.5维机织复合材料经向拉伸弹性模量预测与试验验证[J]. 朱永新,崔海涛,温卫东.  复合材料学报. 2013(03)
[5]UHMWPE/乙烯基酯2.5D角联锁机织复合材料动态压缩性能实验研究[J]. 孙颖,王国军,张典堂,陈利,张明.  材料工程. 2011(04)
[6]三维机织复合材料的织造技术[J]. 戎琦.  纤维复合材料. 2007(01)

博士论文
[1]三维机织复合材料损伤演化与失效行为研究[D]. 仲苏洋.哈尔滨工业大学 2015



本文编号：3089852