多轴向三维机织复合材料细观结构与力学性能研究

【摘要】：三维机织纺织复合材料发展迅速,常见的三维机织结构增强体有层间角联锁结构、三向正交结构和多轴向机织结构。研究人员一直尝试在传统三维机织结构基础上引入面内斜向纱线,用以提高传统机织结构增强复合材料的面内性能。本文以天津工业大学复合材料研究所研发的新型多轴向三维机织结构复合材料为研究对象,对其细观结构和力学性能进行了系统研究。主要内容包括：(1)基于多轴向三维机织复合材料的实际结构特征和合理假设,建立了材料的细观结构单元体,通过对比不同的纱线细度、经(纬)密和纱线层数情况下,纱线截面形状、织物厚度、单位面积质量和纤维体积含量值的变化趋势,分析了纱线细度、经(纬)密和纱线层数对多轴向三维机织预制件织物细观结构的影响。为多轴向三维机织复合材料的结构参数设计提供了依据。(2)针对新型多轴向三维机织结构的特点,选取斜向纱层位置和斜向纱含量为结构变量,设计三种结构单元。研究利用三维绘图软件(UG)建立含有细观结构特征的复合材料实体模型；然后,在专业网格划分软件Hypermesh中完成周期网格划分和边界条件设定；最终导入Abaqus软件进行弹性常数计算和性能分析。通过所得单元体弹性常数和不同加载条件下的细观应力分布情况分析,讨论材料中斜向纱位置和斜向纱含量对其弹性性能的影响。(3)通过轴向拉伸、三点弯曲、短梁剪切和锤击振动实验测试,研究了不同斜向纱层位置和斜向纱含量对多轴向三维机织复合材料拉伸、弯曲、层间剪切和锤击振动性能的影响。研究表明斜向纱参数对多轴向三维机织复合材料各项力学性能影响显著。将斜向纱层置于表面时材料拉伸和层间剪切性能较好,增大斜向纱含量可以提高材料弯曲性能和层间剪切性能。通过调整斜向纱参数可以实现材料性能的可设计。(4)依靠前期多轴向三维机织复合材料平板研究的经验,从三维圆管织物的结构设计出发,采用矩形截面单元对不同斜向纱倾斜角的多轴向三维机织复合材料圆管的单元细观结构及其弹性性能进行了分析,为圆管构件的进一步研究工作打下基础。