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矩形组合截面三维编织物的细观结构研究

张巍  
【摘要】: 随着三维编织复合材料应用的日益广泛,对其进行的研究也越来越深入。迄今为止的研究的对象主要集中在对常规矩形截面三维编织物的研究上。然而,在三维编织复合材料的实际应用中,在很多情况下构件形状并不是简单的矩形截面,而是以矩形组合截面的形式出现,如:工字形、T形、L形、口字形等等。因此,非常有必要对矩形组合截面三维编织复合材料的细观结构、工艺设计和力学性能进行研究,以便对这种异形截面材料的实际生产和应用起到指导作用。 本论文的研究目标是: (1)建立能够反映矩形组合截面三维编织复合材料中交接区域特殊细观结构的单胞模型。该模型能够描述出各编织纱线的排列、编织角以及相互交织情况。 (2)给出设计和计算矩形组合截面三维编织物各参数的过程和方法。 (3)评价交接区域特殊的细观结构对三维编织复合材料力学性能造成影响。 本文首先对矩形组合截面三维编织物的细观结构进行了分析,建立了反映纱线排列和交织情况的单胞几何模型。 从L型截面三维编织物这种典型的组合截面入手,分析编织过程中携纱器的运动轨迹,发现携纱器在通过矩形交接区域的表面、内部和内角区域时,具有特殊的运动规律。从而确定,与常规矩形截面三维编织物中相比,在矩形交接区域的内部、表面和内角具有特殊的细观结构。因此,对于矩形组合截面的三维编织物来说,有六种具有不同细观结构的单胞:除了常规矩形所具有的内部、表面和棱(外)角等三种单胞外,还在交接区域形成了交接内部单胞、交接表面单胞和交接内角单胞等三种新的单胞形式。 采用控制体积法对矩形交接区域单胞的细观结构进行分析,建立描述矩形交接区域细观结构的三种单胞几何模型,即交接内部单胞、交接表面单胞和交接内角单胞,并给出了这三种单胞的外形尺寸以及各单胞内纱线编织角。 矩形交接区域的内部单胞的外形为立方体。和常规矩形的内部单胞相比,外形尺寸相同。交接内部单胞由五根编织纱组成,除了两根同常规矩形内部单胞中纱线编织角一致的纱线外,有两根纱线的编织角小于常规内部单胞中的纱线编织角,且为一曲线,另一根纱线的编织角大于常规矩形内部单胞中的纱线编织角。矩形交接区域的内角单胞外形为七棱柱体,由四根编织纱组成。同常规矩形的棱(外)角单胞相比,其中的三根编织纱同样为空间曲线,但是另有一根纱线为一直线,这是常规矩形的棱(外)角单胞中所没有的。矩形交接区域的表面单胞为五棱柱体,由四根编织纱组成。和常规矩形的表面单胞相比,外形尺寸一样,编织纱线也是相互交叉的空间曲线,但是编织角不同。其中有一根纱线的编织角大于常规矩形表面单胞中纱线的编织角,其余三根纱线的编织角则小于常规矩形表面单胞中纱线的编织角。 采用了三种试验方法,即纵切法、横切法和X-射线断层扫描成像法对所建立单胞模型进行了验证,结果表明,所建立的单胞模型是正确的。 由于交接区域存在特殊的细观结构,针对常规矩形截面三维编织复合材料各工艺参数的计算和设计方法已不再适合矩形组合截面。根据所建立的单胞模型,给出了计算矩形组合截面三维编织物各工艺参数的方法。首先给出了确定六种单胞数量和分布的“分解组合法”,即:将复杂的异形截面的问题转化为简单的矩形截面的问题,再将简单截面组合成复杂截面,给出了组合过程交接区域中新单胞的“生成”规律,从而得到六种单胞的数量和分布。接下来,根据建立的单胞几何模型及尺寸,给出了计算各单胞纤维体积分数以及各单胞占整个预型件体积百分比的公式。最后,对于编织纱为圆形单丝和复丝的情况,分别给出了矩形组合截面三维编织预型件横截面几何尺寸及纱线根数的计算方法。对于编织纱为复丝的预型件,在编织纱横截面为椭圆形的假设条件下,给出了根据计算其横截面尺寸的方法,以及根据实际要求进行工艺设计、确定编织纱线的根数和排列、编织预型件的外形尺寸、纤维体积分数、编织角等的方法。试验表明,推荐的方法给出的结果是符合实际的。 接下来,本文通过对常规矩形截面和矩形组合截面三维编织复合材料的弯曲对比试验,判定交接区域的特殊细观结构对三维编织复合材料的力学性能的影响。 通过研究发现,常规矩形截面三维编织复合材料的弯曲损伤过程可以分为四个阶段,即初始损伤阶段、损伤过渡阶段、严重损伤阶段和整体失效阶段。在整个破坏过程中,三维编织复合材料表现出一种复合型破坏,包括了基体破坏、界面开裂和纤维断裂等各种破坏方式,但其中基体和界面的破坏占主导地位,而纤维断裂只占很少部分。 对于矩形组合截面三维编织复合材料,虽然它的弯曲损伤过程也同样分为四个阶段,但由于其交接区域存在着特殊的细观结构,因此它在受到弯曲载荷时,会在较低载荷、较早时间,在具有特殊细观结构的交接区域发生纤维和基体间界面的开裂以及基体的破坏,产生较多的低振幅声发射事件,这一结论通过断面观察和声发射参数分析得到了验证。这样就使得其同常规矩形截面三维编织复合材料相比,力学性质会较早地由线性转为非线性。此外,从整个弯曲损伤过程来看,矩形组合截面三维编织复合材料特殊的细观结构使得其总的声发射事件数多于常规矩形截面,即内部损伤相对严重,这也就导致了矩形组合截面三维编织复合材料的弯曲破坏极限载荷比常规矩形的稍低。此外,矩形组合截面三维编织复合材料的交接区域中,大部分纱线的编织角小于常规矩形截面中对应区域纱线的编织角,这就使得在受到弯曲载荷时,矩形组合截面三维编织材料的模量比常规矩形的稍高。


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