多层交联3D立体编织复合材料力学性能实验研究

摘要

多层交联3D立体编织复合材料拥有良好的层间性能、高的损伤容限以及显著的抗扭转性能，现已广泛应用在直升机螺旋桨叶片，高压油气传输管道以及火箭鼻锥和发动机喷嘴等领域。三维编织复合材料的力学性能预测及增强体结构的设计都依赖于纱线的覆模轨迹、编织结构的几何模型以及材料的基础力学性能。 本文紧密围绕多层交联3D立体编织复合材料的力学性能实验研究问题，开展了一系列工作。一方面，基于携纱器的路径特征，编织结构的交织互锁规律以及编织纱运动的特点，建立了多层交联3D管状编织结构中编织纱轨迹的数学模型，利用UGNX10.0的高级开发建立了编织结构参数化几何模型。编织预制件与仿真模型的对比结果表明两者的编织直径、编织角、单束纱线横截面面积和纤维填充系数的最大误差分别为0.56％，2.67％，4.20％和4.50％，证明该方法所建立的几何模型可以有效描述多层交联3D编织结构中纱线的几何特征。 另一方面，基于编织结构的几何模型，设计并制备了12种有轴纱和9种无轴纱结构的碳纤维五层交联3D编织树脂基复合材料，并对其进行了单轴拉伸和纵横向试样三点弯曲性能测试。 拉伸实验结果表明:五层交联3D编织复合材料拉伸性能与增强体结构的编织角大小呈负相关，与纤维体积含量成正相关;在所制备的样品中，纤维体积含量为50％，编织角为30°的有轴纱/无轴纱结构复合材料试样性能最优，拉伸强度和拉伸模量分别为860.68MPa/263.44MPa和58.65GPa/20.38GPa;无轴纱45°编织角试样的载荷-位移曲线呈现典型的塑性材料载荷-位移曲线的特征，实验过程出现缩颈现象，断裂形貌呈现缩颈区域的基体开裂和纤维断裂，未见明显的纤维抽拔，其他组试样均呈现脆性材料特征。 纵向试样弯曲实验结果表明:五层交联3D编织复合材料弯曲性能随编织角增大而减弱，随纤维体积含量增大而增强;在所制备的样品中，纤维体积含量为50％，编织角为30°的有轴纱/无轴纱结构复合材料试样性能最优，弯曲强度和弯曲模量分别为689.55MPa/420.16MPa和51.82GPa/20.06GPa;有轴纱试样载荷-挠度曲线呈现线性;无轴纱45°和60°编织角试样载荷-挠度曲线呈现抛物线状，表现出较强的塑性材料特征。 横向试样弯曲实验结果表明:弯曲性能随编织角和纤维体积含量的增大而增强;在所制备的样品中，纤维体积含量为50％，编织角为75°/60°的有轴纱/无轴纱结构复合材料试样性能最优，弯曲强度和弯曲模量分别为663.94MPa/499.78MPa和48.24GPa/29.27GPa;有轴纱试样的载荷-挠曲线呈现较好的线性;无轴纱结构中，30°和45°编织角试样载荷-挠度曲线呈现抛物线状，表现出塑性材料特征。

目录

声明

摘要

第—章绪论

1．2国内外研究现状

1．2．1三维编织复合材料发展现状

1．2．2管状编织结构的几何建模研究

1．2．3三维编织复合材料力学性能实验研究

1．3本文主要研究内容

第二章多层交联3D立体编织管状预制体纱线轨迹理论分析

2．1多层交联3D管状编织工艺特征分析

2．1．1携纱器运动路径分析

2．1．2多层交联3D立体编织物结构分析

2．2编织纱轨迹数学模型的建立

2．2．1编织纱空间运动分析

2．2．2基本假设

2．2．3编织纱轨迹数学模型的推导

2．3小结

第三章多层交联3D立体管状编织预制件几何模型的建立与验证

3．1．1表达式的建立

3．1．2管状编织结构几何模型建立过程

3．2管状编织结构参数化几何模型的验证

3．2．2编织纱面内轨迹验证

3．2．3单束纱线截面面积和填充系数验证

3．2．4织物结构交织互锁规律验证

3．3管状编织结构参数化几何模型的应用

3．4小结

第四章多层交联3D立体编织复合材料的设计和制备

4．1五层交联3D管状编织物的设计和织造

4．1．2编织方案设计

4．1．3编织实验及结果

4．2复合材料设计及其制备

4．2．2复合材料制备过程

4．2．3复合材料制备结果

4．3小结

第五章多层交联3D立体编织复合材料拉伸性能实验研究

5．1实验准备

5．1．2拉伸试样制备及实验过程

5．2拉伸实验结果及讨论

5．2．1有轴纱五层交联3D编织复合材料拉伸实验结果分析

5．2．2无轴纱五层交联3D编织复合材料拉伸实验结果分析

5．2．3不同结构五层交联3D编织复合材料拉伸实验结果对比

5．3小结

第六章五层交联3D立体编织复合材料弯曲性能实验研究

6．1实验标准及试样制备

6．2弯曲实验结果及讨论

6．2．1有轴纱五层交联3D编织复合材料纵向试样弯曲实验结果分析

6．2．2有轴纱五层交联3D编织复合材料潢向试样弯曲实验结果分析

6．2．3无轴纱五层交联3D编织复合材料纵向试样弯曲实验结果分析

6．2．4无轴纱五层交联3D编织复合材料横向试样弯曲实验结果分析

6．2．5弯曲实验断裂形貌分析

6．3小结

第七章总结与展望

7．1总结

7．2展望

参考文献

发表论文及参加科研情况

致谢