一体成型三通圆管编织方法与冲击压缩行为

作     者：王启航 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙宝忠;顾伯洪

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：一体成型三维编织 三通管 低速冲击压缩 高速摄影 CT分析 

摘      要：一体成型三维编织多通圆管作为重要的工程连接件除了具有传统复合材料轻质高强、高阻抗高损伤容限的特点,净尺寸成型的优势也可以避免切割拼接缝合导致的缺陷,减少接头部分零部件数量,在卫星桁架结构、飞艇支撑结构、自行车多通件等领域具有巨大的应用潜力。复合材料管件在生产和服役过程中不可避免会遭遇低速撞击事件,产生可见或不可见损伤,造成安全隐患。本文旨在开发“Y型圆管一体成型三维编织方法,探讨冲击能量、支管长度和编织层数对三通管复合材料低速轴向冲击压缩性能的影响,揭示损伤演化机理,发现边界条件与编织结构的双重效应。论文主要内容:(1)以1×1四步圆形编织法为基础制备一体成型三通管状预成型体,通过真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备复合材料试件。利用示踪纱法表征纱线空间运动路径,采用燃烧法和排水法获取各部分纤维体积分数。(2)在落锤实验机上进行低速轴向冲击测试,获得实时力学响应曲线。利用高速摄影记录冲击瞬时的破坏过程,结合数字图像相关处理技术计算表面应变分布,通过微型计算机断层扫描结果分析内部损伤信息,揭示损伤扩展过程和失效机理。(3)分析实验表征结果,发现冲击能量、支管长度和编织层数对管件力学性能的影响规律,讨论与相同测试条件下三维编织单通圆管力学性能的差异,及表面应变分布的编织结构效应。研究发现:(1)新型“移纱-添纱-换纱一体成型三通圆管编织技术能够保证碳纤维束空间分布的连续性,整体结构的均匀对称性及沿各支管轴向力学性能的一致性,有利于连接处的应力传递。三通管复合材料三角区处的纤维体积分数随编织层数的增大而提高,且因为相同数量纱线的覆盖成型面变宽,三角区部分纤维体积含量小于支管部分。(2)三通管在两端固支条件下受到轴向冲击压缩加载时,支管仅起到载荷传递的作用,损伤主要集中在交接处,破坏模式包括:树脂裂纹与脱落、纤维屈曲和断裂、界面开裂和连接处坍塌压溃。三角区在两侧支管的挤压作用下,表面应变呈现出与单管相反的变化趋势,导致局部拉伸应力集中和压缩剪切带的形成,且剪切带形成时间在60μs以内。(3)当冲击能量提高,管件峰值载荷、最大位移和比能量吸收均增大,损伤程度加重,初始压缩刚度对能级不敏感。管件最大强力和压缩刚度与支管长度成反比,与编织层数成正比。支管长度影响应力集中位置,支管长度越短,损伤起始点越高,剪切带形成位置越靠近三角区上部。(4)相比于自由端条件下单通圆管中部剪切破坏的损伤模式,三通管的特殊结构能够避免与之相连承力构件的失效。单管和三通支管表面均存在明显的编织结构效应,因树脂强度低,纱线交织点处应变值大于纤维束浮长线处应变值,且三通支管表面应变值对支管长度不敏感。本文主要通过实验表征探究三维编织三通圆管成型工艺及低速轴向冲击压缩行为,为异型编织接头的优化设计与应用提供理论参考。