纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料面内力学性能研究

【摘要】： 纬编双轴向多层衬纱(Multilayered Biaxial Weft Knitted，简称MBWK，下同)织物增强复合材料在我国的发展只有短短几年时间：1999年，天津工业大学复合材料研究所成功地进行了MBWK织物的中试；2001年获得了此产品的专利。至此，我国具备了自主生产纬编双轴向织物增强复合材料的能力；这一成果还表明：MBWK织物增强复合材料的研究成为可能，并且正式走出实验室准备实现产业化生产。这种复合材料以轴向针织织物为基础，是一种新型先进的纺织结构复合材料，且具有卓越的机械力学性能和较低的生产成本，已经引起了人们的极大兴趣和广泛关注。它可应用于航空航天、汽车、造船、军工以及建筑等众多领域，具有巨大的潜力和十分广阔的发展前景。作为一种全新结构的纺织复合材料，MBWK织物增强复合材料的几何结构分析和力学性能的研究尚处于空白阶段。 为了加快这种新型复合材料的推广和应用，本论文系统研究了MBWK织物增强复合材料的结构、面内力学性能，并探讨了该类复合材料在防弹领域的应用。首先研究了复合材料结构中的线圈结构。通过实验研究发现，不同于机织物、编织物等传统的纺织复合材料，MBWK织物增强复合材料结构有其独特之处：该结构由三个系统的纱线组成，纬编组织呈立体状成圈。我们经过合理分解复合材料的内部结构，对实际结构作了必要的简化之后，得到了可以进行几何和力学分析的结构单元，也就是说，线圈结构可以用数学方法描述，所以本论文第一次提出了MBWK织物增强复合材料线圈结构的几何模型并分析了这种复合材料整体的结构形态特点。为了改善几何法建立线圈模型的不足，并且对这种复合材料的成型工艺提供理论指导，本论文从计算机图形学角度出发，利用当今世界发展较快、具有广泛应用价值的非均匀有理B样条(NURBS)方法对此种复合材料的线圈结构进行了模拟。NURBS插值曲线能够直接体现线圈的形态，不仅直接反映线圈纱线在空间的分布及取向，而且可以简化MBWK织物增强复合材料结构的数学描述。论文还对这两种拟和曲线的结果作了对比。 其次，本文结合复合材料经典层合板理论(CLT)研究了MBWK织物增强复合 天津工业大学博士论文 材料的面内力学性能。具体分三个方面:其一根据纤维束的纺织构造找出其组织细 胞种类和每种细胞的纤维束结构。因为纺织结构复合材料就是由这些细胞重复排列 而成的，细胞的种类与纺织预成型工艺及织物的剖面形状有关;其二是确定在细胞 所定义的空间中包含的纤维束数和每根纤维束在该空间的几何位置以及纤维束之间 的关联状况;第三点是所有细胞都应看作是进行力学分析和物理性能估算的微观力 学模型，由此可以求得MBWK织物增强复合材料的刚度矩阵或柔度矩阵，以及相 应的弹性常数。考虑到这种复合材料是层合结构，其物理变化规律应符合CLT理论 的假设，并且提出在一定外力拉伸作用范围内，可以将MBWK织物增强复合材料 的应力与应变的关系看作线性的思想，从而得出了一定条件下该复合材料被拉伸时 面内的应力应变关系。我们还对MBWK织物增强复合材料的面内剪切性能进行了 研究:对其面内剪切性能做了基本的理论分析:介绍了以正负45’偏轴拉伸理论为基 础，借助于正轴拉伸实验可以得到了近似的面内剪切应力应变规律的原理。这些将 为这种复合材料的进一步研究和发展奠定基础。本文还利用力学试验验证了前述所 提出的模型，发现模型预测值在一定程度上与实际试验值吻合得较好，这就证明了 模型的合理性。 最后，本文还将MBWK织物结构引入防弹复合材料中，对由该类复合材料制 成的防弹板防弹效果进行了定量试验研究。由于本课题采用了目前防弹防护领域比 较流行的超高分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维，而UHMWPE纤维复合材料的冲 击韧性很好，冲击吸收能量是各类化学纤维中最高的;加之MBWK织物除了具有 经编双轴向织物类似的优异力学特性外，还具有极好的可成型性能。实验表明:以 MBWK织物增强复合材料作为防弹板的防弹性能是比较理想的。此部分研究的目的 在于对其在这一领域的应用潜力做一些探讨性研究，从更广泛的方面讨论了MBWK 织物增强复合材料广阔的应用前景。