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《东华大学》 2002年
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纬编针织物增强复合材料力学性能研究

龙海如  
【摘要】: 纬编针织物具有良好的延伸柔顺性和较高的生产率,作为增强体赋予了复合材料优良的成型性、抗冲击性和较低的生产成本。但是与其它纺织结构复合材料相比,有关纬编针织复合材料的研究还比较少,深度也不够。本论文研究的目的,旨在为纬编针织复合材料的可设计性、可生产性和所需的力学性能提供理论与实验依据。 通过对玻璃纤维纬编针织物可编织性的实验研究和理论分析,探索出了用横机编织较低未充满系数织物的工艺参数,编织了几种不同结构与密度的纬编针织物。并在电脑横机上试织了玻璃纤维纱线的三维全成型管道结构,解决了编织的关键技术与参数的优化问题。还采用手糊成型方法,分别制备了玻璃纤维纬编针织物与不饱和聚酯树脂、环氧树脂的复合材料层板。 对复合材料试样进行了纵横向拉伸与弯曲性能测试,以考察它们的应力应变(或挠度)曲线、弹性模量和强度,比较不同结构针织复合材料力学性能参数的差异与各向异性程度。分析了增强织物的取向、组织结构、线圈形态、几何与结构参数等因素对拉伸与弯曲性能的影响。通过研究,作者发现改进织物结构设计和优化结构参数可以提高复合材料横向模量与强度,减少纵横向力学性能的差异。 在实验研究的基础上,采用有限元方法和Algor软件,对两种典型的针织复合材料——平针/环氧和罗纹/环氧的拉伸性能进行了分析与计算。在假定该材料宏观上是均匀与连续的条件下,选取了织物的一个完全组织及所包含的树脂作为一个代表性体元来建立分析模型。其方法是先分别对线圈部分和树脂部分建模并划分单元,再将两者合成为一体,从而保证了这两部分界面上的结点完全重合。线圈模型由三维空间几何 H 线段组成,建模时要使相邻的纱线外壳靠近但不相交,以免造成两部分 纱体内部各个结点不重合。 除了建模外,确定单元的材料属性也很重要。根据弹塑性力学的基 本原理,作者将本构关系呈非线性的树脂定义为各向同性硬化V.Mi Ses 曲线。另将浸渍树脂的加捻玻璃纤维纱线定义为正交各向异性体,并通 过正轴模量与偏轴模量之间的转换,计算得到了加捻纱单向复合材料特 性参数。有限元分析计算的结果显示,预测的模型拉伸应力应变曲线和 弹性模量都与实测值较好地吻合。 在平针/环氧和罗纹/环氧复合材料的弯曲性能有限元分析时,建模 进行了简化,将拉伸分析的一个代表性体元作为弯曲模型的一个单元。 事实上,纬编针织物属于各向异性体,平针和罗纹织物复合材料力学性 能测试表明它们的本构关系呈非线性。但是很难准确定义其单元的材料 属性。为此选择了两种单元属性来进行比较。有限元分析计算结果显示, 若单元属性定义为各向同性硬化V.Mi SeS曲线,有限元分析预测的挠度 应力曲线和弯曲模量都与实测较一致;而采用正交各向异性单元属性, 有限元分析结果与实测曲线差异较大。这表明简化模型与各向同性硬化 V,Mises曲线的单元属性,对于弯曲性能的有限元分析计算是合理与适用 的。
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