三维正交机织物成形过程建模及其增强复合材料压缩性能研究

摘要

碳纤维复合材料凭借其较高的比强度、比模量以及其他优异性能在机械工程领域的高端装备应用中正逐步取代传统的金属材料而得到快速发展。其中，三维正交机织物作为复合材料的重要组成部分，其正交机织结构能够显著提高材料的轴向压缩性能和冲后压缩性能。然而，其几何结构受织造工艺过程（捆绑纱张力）影响，导致变化的纱线轨迹路径和不规则的纱线横截面。这些几何微结构的变化进一步导致复合材料力学性能的差异。因此，研究织造工艺过程对三维正交机织复合材料的生产和应用具有重要的理论价值和现实意义。
　　本文以三维正交机织物成形过程及其增强复合材料压缩性能为对象开展研究。详细分析了三维正交机织物的织造工艺过程，设计并研制了三维正交机织物的织造样机，建立了三维正交机织物的细观尺度几何结构;在此基础上，进一步建立了三维正交机织复合材料的有限元模型;设计并搭建了三维正交机织复合材料轴向压缩试验平台和冲后压缩试验平台，验证了有限元模型的有效性;结合试验和仿真结果进一步研究并揭示了织造工艺过程（捆绑纱张力）对三维正交机织复合材料轴向压缩性能和冲后压缩性能的影响机理。
　　论文主要研究内容和研究结果如下:
　　(1)以三维正交机织物为对象，研究了其织造工艺原理和特征，基于传统剑杆织机，结合三维正交机织物的结构特征，设计并研制了三维正交机织织造样机，通过调整织造工艺参数（捆绑纱张力），获得了三种张力配置(N25，N50，N100)的三维正交机织物，分析了捆绑纱张力对织物几何结构的影响。分析结果表明:捆绑纱张力对三维正交机织物的几何微结构具有显著影响。捆绑纱张力增大，外层纬纱轨迹在交织位置的卷曲增大，捆绑纱轨迹卷曲减小，纬纱和捆绑纱卷曲程度呈现此起彼伏的交互性。另一方面，随着捆绑纱张力的增大，经纱横截面从矩形转变为凸镜形。
　　(2)基于纤维连续介质力学和动力学方法对三维正交机织物成形过程进行了细观尺度的数值仿真模拟，并对纱线相互交织过程进行了分析研究，重点分析了织造成形过程中的捆绑纱张力对三维正交机织物几何微结构的影响机理，分析结果表明捆绑纱张力所产生的横向作用力是纬纱交织位置发生卷曲的根本原因，并且随着捆绑纱张力的增大，纬纱卷曲程度增大。位于中间层的经纱虽然没有直接受到捆绑纱的横向作用力，但是较大的纬纱卷曲程度会导致经纱边缘纤维发生波动，表现为经纱的整体扭转，并且扭转角度随着捆绑纱张力的增大而增大。
　　(3)在三维正交机织物细观尺度几何结构的基础上，进一步开发了体素网格生成方法和网格单元识别方法，利用纤维的轨迹点坐标为每一个纱线单元赋予局部材料坐标，以复合材料代表单元(RVE)为对象在经纬纱方向上施加了周期性边界条件，根据纤维增强体的多相材料本构方程和失效判据，建立了三维正交机织复合材料的有限元模型，用于进一步的力学性能数值仿真研究。
　　(4)考虑了复合材料轴向压缩试验和冲后压缩试验标准，根据本文所研究的三维正交机织增强体的几何结构特征，对复合材料试样的尺寸规格进行了优化调整，设计了三维正交机织复合材料轴向压缩性能试验方法和冲后压缩性能试验方法，并搭建了相应的试验平台。
　　(5)进行了三维正交机织复合材料的轴向压缩试验，验证了本论文所建立的有限元模型的有效性，分析了织造工艺参数（捆绑纱张力）对三维正交机织复合材料的压缩力学性能的影响规律，分析结果表明捆绑纱张力增大，纬纱卷曲程度增大，进而导致纬纱方向的压缩承载能力下降。另外，纬纱卷曲所引起的经纱扭转，导致材料在经纱方向的压缩承载能力下降。进一步的，冲后压缩试验结果表明纬纱卷曲所引起的表面树脂富集导致材料冲击后大面积的树脂剥离损伤，显著降低了复合材料的冲后压缩性能。

目录

声明

摘要

主要符号说明

图表清单

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 三维机织物的概述

1．2．1 三维机织物的织造工艺研究现状

1．2．2 三维机织物的基本组织结构

1．3 三维机织增强复合材料力学性能研究现状

1．3．1 增强体几何结构对抗冲击性能的影响

1．3．2 增强体几何结构对拉伸性能的影响

1．3．3 增强体几何结构对弯曲性能的影响

1．3．4 增强体几何结构对压缩性能的影响

1．4 织物几何结构建模方法研究现状

1．4．1 介观尺度建模方法

1．4．2 细观尺度建模方法

1．5 课题的提出和研究意义

1．6 论文的主要研究内容和技术路线

1．6．1 论文的主要研究内容

1．6．2 论文的技术路线

1．7 本章小结

第二章 三维正交机织物织造过程研究

2．1 三维正交机织过程原理

2．2 三维正交机织平台搭建

2．2．1 主要织造机构设计

2．2．2 软硬件设计

2．2．3 三维正交机织物的织造

2．3 织物复合材料样品制备

2．4 本章小结

第三章 三维正交机织物成形过程建模

3．1 三维正交机织过程数值模拟

3．1．1 成形过程简化

3．1．2 三维正交机织物初始结构状态

3．1．3 纤维本构关系及材料属性

3．1．4 成形过程边界条件

3．1．5 纤维接触方法

3．2 成形过程中纱线几何结构的变化规律

3．2．1 纱线交织过程的三个阶段

3．2．2 模型几何结构验证

3．2．3 横截面变化特征

3．3 纱线张力对丝束几何结构的影响规律

3．3．1 对纬纱的影响规律

3．3．2 对经纱的影响规律

3．4 本章小结

第四章 三维正交机织复合材料有限元模型

4．1 三维正交机织物网格化

4．1．1 体素网格生成方法

4．1．2 网格单元识别方法

4．1．3 有限元模型几何结构验证

4．2 纱线单元局部材料方向

4．3 周期性边界条件

4．3．1 基本原理

4．3．2 有限元实现方法

4．4 三维正交机织复合材料属性

4．5 三维正交机织复合材料损伤判据

4．5．1 损伤初始准则

4．5．2 损伤演化规则

4．6 网格密度无关性检查

4．7 有限元软件二次开发

4．8 本章小结

第五章 三维正交机织复合材料力学性能试验方法

5．1 轴向压缩性能试验方法

5．1．1 轴向压缩试验标准

5．1．2 复合材料试样尺寸优化调整

5．1．3 轴向压缩夹具设计

5．1．4 轴向压缩试验平台搭建

5．2 冲后压缩性能试验方法

5．2．1 冲后压缩试验标准

5．2．2 冲后压缩试验夹具设计

5．2．3 冲后压缩试验平台搭建

5．3 本章小结

第六章 三维正交机织复合材料压缩性能研究

6．1 轴向压缩性能研究

6．1．1 纬纱方向压缩性能研究

6．1．2 经纱方向压缩性能研究

6．2 冲后压缩性能研究

6．2．1 冲击能量选择

6．2．2 冲击反作用力-时间曲线分析

6．2．3 冲击反作用力-位移曲线分析

6．2．4 冲击后损伤破坏形貌

6．2．5 冲击后压缩性能分析

6．3 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 本文研究工作总结

7．1．1 成果与结论

7．1．2 论文创新点

7．2 今后研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果及荣誉

致谢